Tensión de rotura

De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a: navegación, búsqueda

Se denomina tensión de rotura a la máxima tensión que un material puede soportar bajo tensión antes de que su sección transversal se contraiga de manera significativa.[1] [2]

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 de la muestra, sino de factores, tales como la preparación, 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 no homogéneos 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 A36 250 400 7,8
Acero al carbono 1090 250 841 7,58
Piel humana 15 20 2,2
Titanio 11 (Ti-6Al-2Sn-1.5Zr-1Mo-0.35Bi-0.1Si)[4] 940 1040 4,5
Acero, API 5L X65[5] 448 531 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
Berilio[6] 99.9% Be 345 448 1,84
Aleación de aluminio[7] 2014-T6 414 483 2,8
Aleación de alumninio 6063-T6   248 2,63
Cobre 99,9% Cu 70 220 8,92
Cuproníquel 10% Ni, 1,6% Fe, 1% Mn, balance Cu 130 350 8,94
Bronce 200 + 550 5,3
Tungsteno   1510 19,25
Vidrio   33[8] 2,53
Fibra de basalto[9] N/A 4840 2,7
Mármol N/A 15  
Cemento N/A 3 2,7
Cabello humano   380  
Bambú   350-500 0,4
Seda de araña 1000 1,3
Seda de gusano de seda 500   1,3
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[10] -
Goma - 15  
Boro N/A 3100 2,46
Silicio, monocristalino (m-Si) N/A 7000 2,33
Diamante N/A 2800 3,5
Grafeno N/A 130000[11] 1
Nanotubo de carbono N/A 11000-63000 0,037-1,34
Propiedades típicas de elementos templados[12]
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]

Bibliografía[editar]

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