Explicación de la resistencia a la tracción: ¿Es importante para las piezas mecanizadas por CNC?

Al buscar componentes metálicos para el próximo proyecto de vehículo, existe una característica que determina la capacidad de dichos componentes para mantener su forma bajo cargas aplicadas: la resistencia a la fluencia. Para los componentes CNC que soportan carga , esta característica suele ser más importante que la resistencia a la tracción . En esta guía, analizaremos la resistencia a la fluencia, cómo los ingenieros determinan este valor, su relación con el límite elástico y cómo Tuofa la incorpora en el proceso de producción mecanizada en serie, lo que permitirá a su equipo comprender una tabla de resistencia a la fluencia y seleccionar el grado de material adecuado.

¿Qué es la resistencia de la prueba?

El límite elástico es la tensión máxima que un material o pieza puede soportar sin deformación plástica permanente bajo cargas de servicio a largo plazo. Los ingenieros prefieren este límite elástico para metales como el aluminio y el acero inoxidable, que no presentan un punto de fluencia definido en el diagrama tensión-deformación. Para estos materiales, la industria adopta como estándar una deformación residual del 0.2 %, denominada Rp0.2 o límite elástico.

¿La resistencia a la prueba es igual a la carga de prueba?

No. La resistencia a la prueba se define como un valor de tensión (MPa o ksi), mientras que la carga de prueba se refiere a la fuerza máxima (N o lbf) que un sujetador u otra pieza puede soportar sin deformarse. El valor de la carga de prueba se obtiene mediante la fórmula:

Carga de prueba = Resistencia a la prueba x Área de tensión (de un sujetador)

¿La resistencia a la tracción es una propiedad mecánica?

Sí. El límite elástico es una propiedad mecánica que se determina mediante ensayos de tracción. Suele figurar junto con otras propiedades como la resistencia a la tracción, la elongación y la dureza.

¿Para qué se utiliza la prueba de resistencia?

El objetivo principal de la prueba de resistencia es determinar el límite de tensiones de trabajo seguras que permitan que un componente no se deforme permanentemente mientras funciona bajo la carga de servicio.

¿Cómo se mide la resistencia a la prueba?

La determinación del límite elástico implica un procedimiento de laboratorio que consiste en someter una muestra a tracción en una máquina de ensayo, graficar su curva tensión-deformación y leer el valor de la curva mediante el método de compensación. El procedimiento normalmente sigue las directrices especificadas en ASTM E8 o ISO 6892.

Prueba de tracción

Una probeta preparada, generalmente una barra cilíndrica o plana con un área de sección transversal conocida, se monta en una máquina de ensayo de tracción y se somete a tensión hasta su rotura. La fuerza y ​​la elongación de la probeta durante el ensayo se registran mediante un extensómetro.

Representación gráfica de la curva tensión-deformación

Para obtener los valores de límite elástico y deformación, dividimos los valores registrados de fuerza y ​​elongación entre el área de la sección transversal original y la longitud de la muestra de ensayo, respectivamente. Estos dos valores dan como resultado una curva de tensión-deformación caracterizada por una región elástica y una región plástica.

Determinación de Rp0.2 con el método de desplazamiento

Se traza una línea de compensación paralela al segmento elástico (lineal) de la gráfica, comenzando en el 0.2 % de la deformación en el eje x. El punto de intersección de la línea de compensación y la gráfica de tensión-deformación proporciona el valor del límite elástico, Rp0.2.

Resistencia a la fluencia frente a otras propiedades del material

Ahora, analizaremos la diferencia entre el límite elástico y otras propiedades del material, como el límite de fluencia y la resistencia a la tracción , etc.

Resistencia a la fluencia frente a límite elástico

El límite elástico se utiliza para metales sin un punto de fluencia definido, mientras que el límite elástico se utiliza para metales con un punto de fluencia definido. La siguiente imagen compara el límite elástico y el límite elástico, destacando las principales diferencias entre ambos.

Resistencia a la fluencia frente a resistencia a la tracción

La tabla que aparece a continuación describe la relación entre el límite elástico y la resistencia a la tracción en diferentes etapas de deformación del material.

¿Se pueden usar indistintamente?

No. Para metales con límite elástico, como muchos tipos de acero al carbono, el límite elástico y el límite de fluencia son relativamente similares. En estos casos, se puede usar cualquiera de los dos términos. Sin embargo, para metales sin límite elástico, como el aluminio, el acero inoxidable austenítico y el titanio, debe utilizarse el límite elástico (Rp0.2). Verifique siempre el valor indicado en la hoja de certificación.

Resistencia a la prueba de materiales comunes para mecanizado CNC

El límite elástico varía según la composición de la aleación, el temple y el tratamiento térmico. Es importante verificar el valor mínimo real del límite elástico en el certificado de fábrica para un lote específico de material mecanizado por CNC.

Aleaciones de aluminio

La aleación 6061-T6 tiene un límite elástico de aproximadamente 240-276 MPa, mientras que la aleación de alta resistencia 7075-T6 alcanza aproximadamente 460-503 MPa. El grado de temple (es decir, T6, T651) influye considerablemente en el valor del límite elástico, por lo que es importante especificarlo al realizar el pedido.

Aceros inoxidables austeníticos

Los aceros inoxidables 304 y 316 son grados austeníticos recocidos y tienen una resistencia a la fluencia relativamente baja, de entre 170 y 310 MPa, pero son muy resistentes a la elongación y a la corrosión. La resistencia a la fluencia aumenta significativamente con el trabajo en frío.

Aceros al carbono

Los aceros con bajo contenido de carbono, incluido el 1018, funcionarán entre 370 y 440 MPa. Los aceros aleados 4140, una vez templados y revenidos, pueden alcanzar entre 655 y 1000 MPa, dependiendo del tratamiento térmico.

Aleaciones de titanio

El titanio Ti-6Al-4V es el más común en la industria aeroespacial y su límite elástico en estado recocido es de aproximadamente 830-950 MPa. Esto significa que su límite elástico es casi el doble que el de la aleación de aluminio 7075-T6, pero su peso es mucho menor.

Aleaciones de cobre

El latón C360 tiene una resistencia aproximada de 124 a 310 MPa, dependiendo del temple, mientras que las aleaciones de cobre-berilio que se utilizan en muelles y conectores de precisión pueden superar los 900 MPa después del tratamiento térmico.

¿Solo el metal tiene resistencia a la prueba?

No, los plásticos y los materiales compuestos también tienen límite elástico, que se define comúnmente como límite de fluencia. El límite elástico se suele utilizar para los metales.

¿Qué factores pueden afectar la resistencia a la tracción de los materiales?

Existen factores como la composición química, la microestructura, la temperatura y las condiciones del material que influyen en la resistencia a la fluencia de los materiales. Todos estos factores se describen a continuación.

Composición química

La presencia de diferentes elementos de aleación, como cromo, níquel y cobre, influye en el movimiento de las dislocaciones en los metales y afecta a la resistencia a la fluencia. Incluso pequeñas variaciones dentro de las especificaciones de un material pueden provocar una variación del 10-20% en el valor Rp0.2.

Estado y temple del material

Los procesos de tratamiento térmico y endurecimiento por deformación (templado) afectan la resistencia a la fluencia más que cualquier otra propiedad. La misma aleación de aluminio tendrá una resistencia a la fluencia de aproximadamente 76 MPa en estado recocido O y de más de 500 MPa en estado de envejecimiento óptimo T6.

Tamaño de grano y microestructura

Las estructuras de grano fino tienden a aumentar la resistencia a la fluencia al inhibir los movimientos de dislocación, lo que se conoce como mecanismo de endurecimiento de Hall-Petch. El proceso de fundición, forjado y el historial de mecanizado previo influyen en el tamaño del grano.

Temperatura

Al aumentar la temperatura, la resistencia a la fluencia disminuye, especialmente en el caso de las aleaciones de aluminio por encima de 150 °C. Para piezas que funcionan a altas temperaturas, es necesario comprobar la resistencia a la fluencia a la temperatura de funcionamiento de la pieza.

¿Cómo afecta la resistencia a la prueba al mecanizado CNC?

El valor de la resistencia a la tracción influye en las fuerzas de corte, la vida útil de las herramientas y la estabilidad dimensional de las piezas mecanizadas por CNC.

Fuerza de corte y carga de la máquina

Cuanto mayor sea la resistencia a la tracción, mayores serán las fuerzas de corte necesarias para cortar el material, lo que aumenta la carga del husillo y podría requerir velocidades de avance más lentas en las máquinas CNC.

Desgaste de la herramienta y calor de corte

El corte de materiales de alta resistencia a la tracción, como el Ti-6Al-4V o el 4140, conlleva una mayor liberación de calor y un mayor desgaste de las herramientas de corte en comparación con las aleaciones de aluminio más blandas.

Deformación permanente de piezas CNC

Si se supera la resistencia a la tracción de una zona delgada debido a una fuerza de sujeción o corte excesiva, se produce una deformación plástica en una pieza mecanizada por CNC, una de las principales causas de fallos dimensionales inmediatamente después del mecanizado.

¿Significa esto que se puede fabricar una pieza más delgada si se utiliza un material con alta resistencia a la fluencia para reducir el peso? Definitivamente no. Aunque se elija un material con mayor resistencia a la fluencia, el espesor de la pared de las piezas se ve afectado por otros factores como el momento de inercia de la sección, la rigidez y el diseño de la conexión.

Deformación de piezas CNC de pared delgada

Debido a la concentración de tensiones, incluso el material con un límite elástico muy superior a la carga puede verse sometido localmente a fuerzas que superan dicho límite y, por lo tanto, deformar las zonas de paredes delgadas.

¿Cómo se utiliza la prueba de resistencia en el diseño de piezas CNC?

La resistencia a la tracción influye en numerosos aspectos del diseño de una pieza mecanizada por CNC, incluyendo la elección de los materiales utilizados y las dimensiones de las características críticas del componente.

Selección de materiales para piezas portantes

Para los componentes sometidos a cargas continuas o repetitivas, la tensión de trabajo admisible suele elegirse entre el 50 % y el 67 % del límite elástico.

Diseño de espesor de pared y sección transversal

El espesor de la pared se seleccionará de manera que la tensión en el punto crítico bajo la carga máxima sea menor que el límite elástico del material, con un cierto factor de seguridad.

Diseño de características especiales de la pieza

• Diseño de concentración de tensiones: Las esquinas internas afiladas, el pequeño radio de redondeo y el cambio repentino en la sección dan como resultado una alta tensión local, mucho mayor que la tensión nominal, que posiblemente exceda el límite elástico a pesar de una baja tensión promedio en la pieza.
• Diseño de elementos de fijación: Los pernos y las roscas se caracterizan por la carga de prueba en lugar de la resistencia a la rotura, ya que la carga de sujeción, y no la tensión del material, es fundamental para la integridad de la unión.

Aplicaciones de la prueba de resistencia a la fluencia en piezas mecanizadas por CNC

A continuación se muestran algunos ejemplos de la aplicación de la prueba de resistencia a la tracción en diversas piezas mecanizadas por CNC.

Componentes estructurales y de montaje aeroespaciales

Los soportes y las piezas de montaje aeroespaciales suelen estar fabricados de aluminio 7075-T6 o aleación Ti-6Al-4V debido a su alta resistencia a la tracción por unidad de peso para soportar las cargas de vuelo.

Componentes portantes para automóviles

Los componentes de la suspensión y del sistema de transmisión deben tener un valor de resistencia a la tracción adecuado para soportar cargas de impacto sin deformarse durante miles de ciclos de funcionamiento.

Componentes de robótica

La información sobre la resistencia de las piezas es vital para las articulaciones de los brazos robóticos y los soportes de los efectores finales, a fin de evitar deformaciones que puedan provocar holguras al accionarlos repetidamente.

Piezas para instrumentos ópticos y de precisión

La resistencia a la prueba debe ser suficiente en la carcasa de los instrumentos de precisión para que incluso las tensiones térmicas y de sujeción relacionadas con el montaje no alteren la alineación óptica/mecánica.

¿Cómo ofrece Tuofa soporte para piezas mecanizadas por CNC con requisitos de resistencia a la prueba?

Tuofa es una empresa de mecanizado CNC que ofrece fabricación de piezas en serie y prototipos , y la prueba de resistencia se está convirtiendo en un proceso rutinario en el ciclo de producción. Ya sea un único soporte de carga mecanizado con las capacidades CNC de Tuofa o un soporte de mecanizado a gran escala dentro de un programa completo de vehículos, la resistencia se controlará en cada etapa, desde la recepción del material hasta la inspección.

Revisar el grado y el estado del material.

Los ingenieros verifican el grado, el estado y la resistencia a la tracción del material a partir del certificado de fábrica. Si nuestros clientes solicitan piezas portantes, Tuofa suele recomendarles el uso de materiales que puedan soportar mayores esfuerzos. Las piezas portantes personalizadas más comunes incluyen:

• Soportes
• Eje
• Placas de montaje
• Pasadores de carga

El uso de materiales con mayor resistencia a la tracción para estos componentes tiene como objetivo evitar el riesgo de agrietamiento, deformación o dimensiones incorrectas.

Evaluar las características de soporte de carga durante el DFM

Como parte del proceso DFM, se verifican el espesor de la pared, el radio del filete y el diseño de los sujetadores en función del límite elástico del material, y se sugieren cambios cuando sea necesario. Por ejemplo, al evaluar las características de los orificios en áreas de carga, generalmente utilizamos el límite elástico del material como referencia para determinar si la sección transversal restante es suficiente para resistir la deformación permanente.

Inspeccione las dimensiones críticas después del mecanizado.

Tras el proceso de mecanizado, se comprueban las dimensiones críticas para asegurarse de que no se hayan producido deformaciones durante la producción.

Conclusión

La tensión de fluencia determina si una pieza metálica mantendrá su forma bajo carga. Comprender la relación entre la tensión de fluencia, el límite elástico, la resistencia a la tracción y el estado del material facilitará la selección adecuada del material y el diseño de la pieza mediante mecanizado CNC. Lo más importante es elegir una empresa de mecanizado CNC que tenga en cuenta la tensión de fluencia durante el diseño y el mecanizado de la pieza.

Preguntas Frecuentes

¿La resistencia a la prueba es lo mismo que la tensión de prueba?

Sí, la resistencia a la tracción y la tensión de rotura se refieren al mismo fenómeno: el nivel de tensión al que se produce una determinada deformación permanente, normalmente del 0.2 %. Algunas normas y proveedores simplemente utilizan términos diferentes para indicar este fenómeno.

¿Puede el mecanizado CNC modificar la resistencia a la tracción de un material?

Dado que el mecanizado CNC no afecta las propiedades del material, sino que solo lo elimina, el trabajo en frío intenso debido a las operaciones de corte agresivas y al calentamiento localizado del material en las proximidades del filo de corte puede afectar la microestructura y la resistencia a la tracción de forma localizada.

¿Cómo se calcula la carga de prueba a partir de la resistencia de prueba?

La resistencia a la tracción debe multiplicarse por el área de tensión de tracción de un elemento de fijación para obtener su carga de prueba.

¿Por qué los pernos de acero inoxidable 316 no tienen un valor de límite elástico?

El acero inoxidable austenítico 316 se endurece durante el trabajo y no alcanza su límite elástico como los pernos de acero al carbono. El límite elástico y el rango de resistencia a la tracción son los criterios para los pernos de acero 316, debido a que su resistencia varía al trabajarse en frío.