La resistencia del metal es una de las propiedades mecánicas más esenciales para determinar la idoneidad de un metal para aplicaciones determinadas. Significa qué tan bien un metal puede resistir cargas o fuerzas externas sin deformarse ni romperse. Los metales con alta resistencia son invaluables en la construcción, la maquinaria y la industria aeroespacial, donde sostienen estructuras y resisten condiciones extremas.
En esta guía, distinguiremos los tipos de resistencia, analizaremos los factores que influyen en la resistencia del metal y cómo se pueden manipular para mejorar el rendimiento de un metal. Además, le proporcionaremos una tabla de resistencia del metal para ayudarle a elegir el material metálico que desee de forma más intuitiva.
Tipos de fortalezas de metales
Los materiales exhiben diferentes tipos de resistencia dependiendo de cómo se aplica la carga. Estos son los tipos fundamentales de condiciones de carga para una varilla:
Carga de tracción: Fuerzas que tiran o estiran el material.
Carga de compresión: Fuerzas que empujan o comprimen el material.
Carga de corte: Fuerzas que actúan paralelas a la superficie de un material, haciendo que el material experimente capas o planos que se deslizan entre sí.
Carga de flexión (flexión): fuerzas que hacen que el material se doble.
Cargas de torsión: Fuerzas que tuercen el material.
Carga de impacto: Impactos repentinos y contundentes o cargas de choque.
A continuación, analizaremos en detalle varios de los tipos de fuerza más comunes.
1. Resistencia a la tracción
La resistencia a la tracción se refiere a la cantidad máxima de tensión de tracción (tracción o estiramiento) que un material puede soportar antes de romperse. Mide cuánta carga puede soportar un material antes de fallar.
Esfuerzo: representa la magnitud de una fuerza externa que actúa sobre el área de la sección transversal de un cuerpo. Deformación: describe la cantidad de deformación experimentada por el cuerpo en la dirección de esa fuerza.
Esta curva tensión-deformación representa un comportamiento de tracción típico. Los puntos A, B y C representan tres nodos clave de resistencia a la tracción, que sirven como puntos de referencia que indican transformaciones significativas en las propiedades del producto bajo tensión. Revisemos estos tres puntos uno por uno.
Límite elástico (Punto A): Significa la tensión máxima que un material puede soportar antes de experimentar una deformación plástica permanente. Más allá de este punto, el material no volverá a su forma original cuando se elimine la tensión.
Los fabricantes utilizan el límite elástico para establecer límites operativos seguros para mantener la integridad estructural y la funcionalidad de los materiales. También se utiliza como criterio para definir fallas en muchos códigos de ingeniería.
Resistencia máxima (Punto B): Cuando se habla de resistencia a la tracción en general, generalmente se hace referencia a la resistencia a la tracción última (UTS). Representa la carga máxima que un material puede soportar antes de comenzar a estrecharse. A partir de este punto, el área de la sección transversal se reduce, lo que provoca una disminución de la tensión que el material puede soportar hasta romperse.
Puede evaluar la resistencia a la tracción de un metal utilizando una máquina de prueba de tracción (también conocida como máquina de prueba universal o UTM). Dispone de dos pinzas que sujetan la probeta por ambos extremos. Durante la prueba, la máquina aplica una fuerza de tracción controlada a la pieza hasta que se rompe. La fuerza de tracción (o tensión) aplicada y el alargamiento se miden durante toda la prueba para determinar el rendimiento del metal y la resistencia máxima a la tracción.
Resistencia a la rotura (Punto C): la tensión a la que el material finalmente falla y se rompe. Se utiliza para diseñar componentes que puedan soportar condiciones extremas, garantizando la seguridad al prevenir fallas catastróficas.
2. Resistencia a la compresión
Este tipo de resistencia mide la capacidad de un material para resistir fuerzas que lo comprimen o acortan. Es la carga de compresión máxima que un material puede soportar sin fallar.
Puede evaluar la resistencia a la compresión utilizando una máquina de prueba de compresión. Normalmente utiliza placas que aplican presión a la pieza desde ambos extremos, aplicando una fuerza de compresión controlada hasta que el metal se deforma o se rompe. El punto donde comienza a ocurrir la deformación indica la resistencia a la compresión de ese metal.
3. Resistencia al impacto
La resistencia al impacto mide la capacidad de un material para resistir fracturas o deformaciones cuando se somete a impactos o choques repentinos y rápidos. Representa la capacidad del material para absorber y resistir la energía cinética de los objetos que impactan.
Por lo general, se mide utilizando una máquina de prueba de impacto, como los probadores Charpy o Izod. Estas máquinas golpean una muestra con muescas con un martillo pendular y registran la energía absorbida por la muestra durante la fractura.
¿Por qué necesitamos aprender sobre la resistencia del metal?
Comprender la resistencia del metal es un aspecto crucial para comprender el rendimiento del material. Esto nos permite tomar decisiones informadas sobre la selección de los materiales adecuados para diversas aplicaciones.
Seguridad y durabilidad
La resistencia de los metales tiene una importancia primordial para garantizar la seguridad y durabilidad de estructuras y componentes, especialmente en aplicaciones cruciales que abarcan maquinaria, puentes y edificios. Adquirir conocimiento sobre esto ayuda a prevenir fallas que pueden provocar accidentes, lesiones o muertes, y garantiza una vida útil prolongada de los productos, lo que en última instancia reduce la frecuencia de reparaciones y reemplazos.
Mejorar el rendimiento
Aprender sobre la resistencia del metal permite optimizar el rendimiento en diversas aplicaciones. Por ejemplo, en las industrias automotriz y aeroespacial, el uso de metales con la resistencia adecuada puede mejorar la eficiencia del combustible, reducir el peso y mejorar el rendimiento general.
Rentabilidad
Al comprender la resistencia de los diferentes metales, los fabricantes pueden tomar decisiones rentables. Elegir el metal adecuado para la aplicación adecuada puede minimizar el desperdicio de material, reducir los costos de producción y extender la vida útil de los productos, lo que genera ahorros a largo plazo.
Diseño innovador
Aprender sobre la resistencia del metal abre posibilidades para soluciones innovadoras de diseño e ingeniería. Permite la creación de estructuras y productos más ligeros, más fuertes y más eficientes, superando los límites de lo que es técnicamente posible.
Los metales más fuertes utilizados en la fabricación de metales
Tungsteno
A continuación, presentaremos algunos metales que se utilizan mucho en la práctica debido a su alta resistencia.
Titanio
El titanio es un metal natural, conocido por su alta relación resistencia-peso. Además de su naturaleza liviana y su excepcional resistencia a la tracción, el titanio también es altamente resistente a la corrosión, lo que lo convierte en una excelente opción para implantes médicos, aeroespaciales y piezas automotrices de alto rendimiento.
A menudo se utiliza en forma de aleación para mejorar aún más sus propiedades. Un ejemplo común es la aleación de titanio Ti-6Al-4V, que incluye aluminio y vanadio y se usa ampliamente en la industria aeroespacial.
Tungsteno
Entre los metales naturales, el tungsteno se considera el más fuerte debido a su mayor resistencia a la tracción, que alcanza hasta 1.725 MPa. Junto con su punto de fusión más alto, el tungsteno es increíblemente valioso en aplicaciones que exigen durabilidad y resistencia al calor extremas. Sin embargo, suele ser quebradizo. Para compensar esta propiedad, el tungsteno comúnmente se alea con otros elementos como el carbono. El carburo de tungsteno se usa ampliamente en herramientas de corte, equipos de minería y superficies resistentes al desgaste debido a su excepcional dureza y durabilidad.
Cromo
Con una dureza de 8,5 en la escala de Mohs, el cromo se considera uno de los metales más duros de la Tierra y está incluido en la lista de los metales más fuertes. Sin embargo, el cromo no se utiliza habitualmente en su forma pura debido a su fragilidad. A menudo se utiliza en cromado para proporcionar una superficie dura y resistente a la corrosión en metales y plásticos. Además, el cromo también se utiliza en aleaciones de alto rendimiento para mejorar la resistencia, la resistencia al desgaste y la resistencia a la corrosión. El acero inoxidable es un ejemplo típico de este tipo de aleación y es uno de los materiales más utilizados en diversas industrias.
Acero
El acero, que se obtiene aleando hierro con carbono y algunos otros elementos, es el material de ingeniería y construcción más importante. La resistencia del acero varía según sus componentes de aleación. A continuación se muestran algunos tipos comunes del acero más resistente:
El acero inoxidable es una aleación de hierro, cromo y, a menudo, manganeso. Es conocido por su excelente resistencia a la corrosión, con un límite elástico de alrededor de 1560 MPa y una resistencia máxima a la tracción de hasta 1600 MPa. Esto lo hace ideal para utensilios de cocina, instrumentos médicos y materiales de construcción porque es duradero y resistente al óxido.
El acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA) es otro tipo. Es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de cobre, níquel, vanadio, titanio y niobio. HSLA es liviano pero muy fuerte y resistente, gracias a técnicas de microaleación y tratamiento térmico. Se utiliza ampliamente en la fabricación de automóviles, construcción estructural, construcción de puentes y tuberías, donde la alta resistencia y el bajo peso son cruciales.
El acero martensítico es una aleación de hierro con níquel, cobalto, molibdeno y titanio, y tiene un contenido muy bajo de carbono. Este acero es conocido por su resistencia y tenacidad ultraaltas, logradas mediante un tratamiento térmico de envejecimiento. Se utiliza en aplicaciones de alto rendimiento como aeroespaciales, herramientas, trenes de aterrizaje de aviones, carcasas de motores de cohetes y engranajes de alto rendimiento.
El acero para herramientas se fabrica con elementos como tungsteno, molibdeno, cromo y vanadio. Es increíblemente duro y resistente a la abrasión, y puede mantener un borde afilado a altas temperaturas. El acero para herramientas es esencial para fabricar herramientas de corte, matrices y moldes, especialmente donde se necesita alta resistencia al desgaste y tenacidad.
Inconel es una familia de superaleaciones a base de níquel-cromo conocida por su alta resistencia y excelente resistencia a la oxidación y la corrosión, incluso a altas temperaturas. Inconel es particularmente útil en las industrias aeroespacial, marina y de procesamiento químico, donde los materiales deben soportar tensiones mecánicas y térmicas severas sin degradarse.
¿Cómo mejorar la resistencia del metal?
Después de comprender los metales más fuertes que se usan comúnmente en la fabricación de metales, podemos apreciar que la aleación (específicamente agregar nuevos elementos) es un método clave para mejorar la resistencia. Más allá de la aleación, a menudo se emplean otros métodos prácticos para mejorar aún más la resistencia de los metales y satisfacer las demandas cada vez mayores de las aplicaciones modernas.
Fortalecimiento del endurecimiento de la solución
Si bien esto es técnicamente una forma de aleación, se centra en cómo los elementos añadidos se integran en la estructura cristalina del metal para mejorar su resistencia. Este proceso implica agregar átomos de un elemento de aleación a la red cristalina del metal base para formar una solución sólida. Los átomos incorporados crean distorsiones de la red que impiden el movimiento de dislocación, aumentando así la resistencia del metal.
Tratamiento térmico
El tratamiento térmico es un proceso controlado que se utiliza para mejorar el rendimiento de un metal modificando su estructura. A continuación se muestran algunos métodos comunes de tratamiento térmico para mejorar la resistencia del metal:
Temple y revenido
El enfriamiento implica calentar el metal a una temperatura alta y luego enfriarlo rápidamente en un medio como agua, aceite o aire. Este rápido enfriamiento atrapa los átomos de carbono dentro de la estructura cristalina, formando una fase martensítica dura. Este aumento de dureza suele ir acompañado de un aumento de la resistencia a la tracción. Pero este enfriamiento extremo también puede introducir tensiones internas y fragilidad.
El templado a menudo se aplica después del enfriamiento para aliviar estas tensiones y restaurar parte de la ductilidad perdida durante el enfriamiento. Si bien reduce ligeramente la dureza, mejora la tenacidad y crea una microestructura más estable, mejorando así la capacidad del metal para resistir impactos y tensiones.
Normalizando
La normalización implica calentar el metal por encima de su temperatura crítica y luego enfriarlo al aire. Este proceso produce una estructura más uniforme y de grano fino, mejorando la resistencia del metal.
Endurecimiento por precipitación (envejecimiento)
Implica calentar el metal a una temperatura moderada y mantener esa temperatura durante un período prolongado para permitir que se formen finos precipitados dentro de la estructura cristalina del metal. Estos precipitados aumentan el límite elástico y la dureza del material al impedir el movimiento de dislocación.
Trabajo en frío
El trabajo en frío, también conocido como endurecimiento por deformación, implica deformar plásticamente el metal a temperatura ambiente mediante procesos como laminación, trefilado o extrusión. Esta deformación aumenta la densidad de las dislocaciones dentro de la estructura cristalina, dificultando su movimiento y fortaleciendo así el material.
Tabla de resistencia del metal
La tabla de resistencia del metal proporciona un criterio fiable para elegir materiales adecuados para aplicaciones específicas. Proporciona una evaluación integral del rendimiento de un metal bajo diversas condiciones de carga. Puede utilizarlo para comparar rápidamente las propiedades de diferentes metales.
Tipos de metales
Resistencia a la tracción (PSI)
Fuerza de producción (PSI)
Dureza Rockwell (Escala B)
Densidad (kg/m³)
Acero inoxidable 304
90.000
40.000
88
8000
Aluminio 6061-T6
45.000
40.000
60
2720
Aluminio 5052-H32
33.000
28.000
-
2680
Aluminio 3003
22.000
21.000
20 a 25
2730
Acero A36
58-80.000
36.000
-
7800
Acero Grado 50
65.000
50.000
-
7800
Latón amarillo
-
40.000
55
8470
Latón rojo
-
49.000
65
8746
Cobre
-
28.000
10
8940
Bronce fosforado
-
55.000
78
8900
Bronce Aluminio
-
27.000
77
7700-8700
Titanio
63.000
37.000
80
4500
Tabla de resistencia del metal
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Resistencia vs Ductilidad vs Dureza
Resistencia, ductilidad, tenacidad y resiliencia representadas en una curva tensión-deformación
Por último, echemos un vistazo rápido a algunas propiedades de los materiales importantes, pero fácilmente confusas, a través de la curva tensión-deformación que se muestra a continuación.
Fuerza máxima:The maximum stress reached during the tensile test.
Límite elástico: The stress at which a material begins to deform plastically.
Ductilidad: A measure of the ability of a material to deform plastically (strain) before fracturing.
Tenacidad: A measure of the ability of a material to absorb energy up until fracture. It can be thought of as the area under the stress-strain curve. For a material to have high toughness, it should have a good balance of both high strength and high ductility. Low strength and brittle materials tend to have low toughness.
Resiliencia:A measure of the ability of a material to absorb energy while deforming elastically.
Dureza: The ability of a material to resistance to deformation, particularly permanent deformation, indentation, or scratching. Generally, materials with high hardness tend to also have high strength, especially in terms of compressive and tensile strength. However, this correlation is not absolute.
