Los tornillos se utilizan mucho para ensamblar y unir distintas piezas mecánicas. ¿Qué hace que una unión sea fuerte sin necesidad de soldadura o calor? Si los tornillos se utilizan mal, pueden romperse o dañarse. Por eso es tan útil conocer el límite elástico de los tornillos. Sin embargo, mucha gente no sabe cómo calcular el límite elástico de un tornillo.
Recuerde que el límite elástico de un tornillo es la tensión máxima que puede soportar. Más allá de este límite, el tornillo se deformará o incluso se romperá, provocando el fallo de las piezas unidas. Una vez que conozcas el límite elástico de un tornillo, podrás utilizarlo para asegurarte de que se utiliza correctamente. En este artículo te explico cómo calcular el límite elástico de un tornillo. Empecemos.
¿Qué es el límite elástico de un tornillo y por qué es importante?
Antes de pasar a los cálculos, entendamos primero los fundamentos del límite elástico de los tornillos.
El límite elástico de un tornillo indica la tensión máxima que puede soportar. A partir de este nivel, el perno se sobrecarga y puede deformarse y, en última instancia, romperse. Los pernos deben utilizarse dentro de su límite elástico. De este modo se garantiza que no sufran presiones elevadas ni se estiren, lo que podría provocar la rotura de la conexión. Cada tamaño de tornillo tiene un límite elástico diferente.
Como he dicho antes, hay diferentes tipos de tornillos disponibles con diferentes grados. Por ejemplo, el grado 8.8 o el grado 10.9, entre otros. Cada uno de estos tornillos tiene un grado y un límite elástico diferentes. Por lo general, el grado 8.8 tiene un límite elástico menor que el grado 10.9. La selección de estos grados de tornillos depende de su uso y aplicaciones.
Los grados de tornillería adecuados ayudan a conseguir uniones entre dos piezas que duran años. Supongamos que necesita una unión muy ajustada y sin holguras. En tal caso, se utilizará un perno de mayor calidad, ya que soportará mayores esfuerzos. Podrá apretar el perno con mayor fuerza. A pesar de la gran tensión, el perno no se estirará ni deformará y permanecerá fijo en su sitio.
Por lo general, los tornillos se aprietan hasta aproximadamente 70% de su límite elástico. Esto garantiza una conexión fuerte entre las dos piezas y una fijación segura. Además, cuando sea necesario, podrá retirar fácilmente el tornillo sin sobrecargarlo ni apretarlo en exceso. 70% de límite elástico también garantiza que el perno no supere la tensión para deformarse o romperse permanentemente.
Importancia del límite elástico de los pernos
Conocer el límite elástico de un tornillo es muy importante para las uniones entre dos piezas mecánicas. Si no conoce el límite elástico de un tornillo, es más probable que lo utilice de forma incorrecta. Estas son algunas de las principales razones por las que el límite elástico de los tornillos es importante:
- Para unir dos piezas, necesitarás tornillos de distintos tamaños. Si necesitas una unión muy firme, utilizarás un tornillo con mayor límite elástico. De este modo, el tornillo soportará mayores cargas y mantendrá las piezas unidas.
- Como ya he dicho, las distintas calidades de tornillos tienen distintos límites elásticos. Por lo tanto, la selección de estas clases de tornillos puede resultar confusa si no se conoce su límite elástico. Una vez que conozca el límite elástico del perno, podrá elegir el grado de perno adecuado para sus necesidades.
- Observará fallos en componentes estructurales debidos a pernos incorrectos. Cuando estos tornillos se someten a grandes esfuerzos, se estiran. Como resultado, la conexión entre las piezas se afloja, lo que provoca su fallo. Si sabe cuál es la resistencia de los pernos, elegirá el perno correcto. Este perno permanecerá estable, evitando que las piezas fallen.
¿Cómo calcular el límite elástico de un tornillo?
Calcular el límite elástico de un tornillo es sencillo si se conoce la fórmula. Para calcularla, en realidad tienes tres parámetros clave, que son los siguientes:
- Tensión en el límite elástico.
- Sección transversal
Aquí tienes la fórmula exacta que utilizarás para hallar el límite elástico del tornillo.
Límite elástico del perno = Esfuerzo en el límite elástico × Sección transversal efectiva
F(y) = A (t) × S (y)
F (y) es el límite elástico, es decir, la tensión que puede soportar un material. Más allá de este límite, el tornillo se deformará permanentemente o se romperá. A (t) es el área efectiva en la que se enfrenta a un esfuerzo de tracción. Como sabes, cada material tiene su límite elástico único, que se representa por S (y).
Supongamos un caso en el que se tiene un tornillo de grado 10.9. En este caso, el tamaño del tornillo es M12. Estos dos parámetros nos ayudan a comprender el límite elástico del material y el área de la sección transversal. Para un tornillo de grado 10.9 con tamaño M12:
Límite elástico = 940 MPa
Área de tensión de tracción = 84,3 mm².
Puedes encontrar el límite elástico exacto introduciendo los valores en la fórmula anterior:
F(y) = 84,3 × 940 = =79.242 N
Estos 79.242 N son el límite elástico máximo o la fuerza que puede soportar este perno. Si la fuerza supera este límite, el tornillo puede deformarse o romperse. Recuerde que debe utilizar 70-80% de esta fuerza cuando apriete el tornillo. Este es el límite más seguro en el que el perno se apretará lo suficiente como para mantener unidas las piezas mecánicas. Bajo esta tensión, también podrás quitar el perno.
Sistema métrico frente a sistema imperial: ¿Cómo influyen en el cálculo del límite elástico de los pernos?
El sistema métrico y el imperial son dos sistemas de unidades diferentes. Se utilizan en distintas partes del mundo. Por ejemplo, el sistema imperial se utiliza normalmente en Estados Unidos y Canadá. En cambio, el sistema métrico se prefiere en otras partes del mundo, incluida Europa. Los países que utilizan el sistema imperial siguen las normas SAE o ASTM.
En cambio, los sistemas métricos se basan en las normas ISO. Sin embargo, la fórmula para calcular el límite elástico del tornillo sigue siendo la misma para ambos sistemas de unidades, que es la siguiente:
F(y) = A (t) × S (y)
Sin embargo, el valor o los parámetros se escriben en unidades diferentes. En el sistema métrico;
Área de tensión de tracción = mm²
Límite elástico S (y) = MPa
Fuerza = Newton (N)
Por otro lado, las unidades en los sistemas imperiales son diferentes, y son las siguientes:
Área de tensión de tracción = in
Límite elástico S (y) = Psi
Fuerza = Libras-fuerza (lbf)
A pesar de utilizar las mismas fórmulas, obtendrás resultados diferentes porque estás utilizando unidades distintas. Sin embargo, estas unidades o valores son intercambiables.
¿Cómo saber el área de la sección transversal a partir del tamaño del tornillo?
Como he dicho antes, conocer el área de la sección transversal es importante para calcular el límite elástico de los tornillos. Sin embargo, cada tamaño de tornillo tiene un área de sección transversal diferente, lo que puede resultar confuso. A continuación se muestra la fórmula exacta que puede utilizar para encontrar el área de la sección transversal:
A = (π ÷ 4) × d²
Sin embargo, utilizar esta fórmula para hallar el área de la sección transversal (área de tensión de tracción) puede resultar tedioso. Algunas tablas ISO/SAE proporcionan áreas de sección transversal exactas para diferentes tamaños de tornillos. Por ejemplo, M6, M10, M12, etc. Esto evita tener que calcular cada vez la sección transversal. En su lugar, puede consultar la tabla y obtener el área exacta para distintos tamaños de tornillo.
He aquí la tabla para hallar las áreas transversales:
| Tamaño del perno | Área de tensión de tracción (Aₜ) |
| M6 | 20,1 mm² |
| M7 | 28,9 mm² |
| M8 | 36,6 mm² |
| M10 | 58,0 mm² |
| M12 | 84,3 mm² |
| M14 | 115 mm |
| M16 | 157 mm² |
Límite elástico de las calidades de tornillos más comunes
Las distintas calidades de tornillos difieren en la composición de sus materiales. Un tornillo de mayor calidad tendrá un límite elástico más alto, y viceversa. Recuerde que la calidad y el tamaño de los tornillos son dos parámetros diferentes. Los grados de los tornillos sólo se refieren a la resistencia del tornillo y a su composición.
Por otro lado, el tamaño del tornillo se refiere a su tamaño y dimensiones. Dos tornillos del mismo grado pero de distinto tamaño tendrán distintos límites elásticos. A continuación se muestra una tabla en la que se indican diferentes grados de pernos y su límite elástico. Estos grados están en las normas ISO y no se consideran fijos, ya que pueden cambiar con diferentes tamaños de perno:
| Grado del perno | Límite elástico (MPa) |
| 4.6 | 240 MPa |
| 5.8 | 400 MPa |
| 8.8 | 640 MPa |
| 10.9 | 940 MPa |
| 12.9 | 1100 MPa |
Como ya se ha mencionado, el sistema de unidades imperiales sigue las normas SAE en lugar de las normas ISO. Según las normas SAE, los grados de los tornillos se representan como Grado 2, 5 y 8. A continuación se muestra la tabla que indica el límite elástico de estos grados:
| Grado del perno | Límite elástico (Psi) |
| Grado 2 | 57.000 psi |
| 5º curso | 92.000 psi |
| 8º curso | 130.000 psi |
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la resistencia de un tornillo de grado 8.8?
Los tornillos de grado 8.8 se consideran más resistentes, con excelentes resistencias a la tracción y al límite elástico. El valor exacto valores de tracción y el límite elástico son 830 MPa y 640 MPa, respectivamente.
¿Cuál es la diferencia entre límite elástico y resistencia a la tracción?
El límite elástico y la resistencia a la tracción son dos parámetros diferentes. El límite elástico indica el nivel de tensión a partir del cual los materiales empiezan a deformarse. La resistencia a la tracción es el punto (nivel de tensión) en el que un material o perno se rompe y se daña.
¿Puede utilizarse un tornillo por encima de su límite elástico?
No. El tornillo no puede utilizarse por encima de su límite elástico. Si se utiliza, el perno se deformará y estirará, lo que provocará una conexión floja. Esto acabará provocando el fallo de los componentes estructurales o mecánicos unidos a través del perno.
¿Cuál es la carga más segura para un cerrojo?
La carga más segura para el perno se sitúa en torno al 70-75% de su límite elástico total. Con esta fuerza o tensión, el tornillo sujeta las piezas con seguridad. Además, es más duradero y su extracción es más sencilla con esta fuerza o carga óptima.
Conclusión
Concluyamos: los tornillos son elementos de fijación importantes que se utilizan para unir dos componentes. Sin embargo, cada tornillo tiene su límite elástico específico. Si el tornillo se utiliza por encima de su límite, empezará a deformarse. Una vez que el tornillo se deforma, se estira y se afloja. Como resultado, su rendimiento disminuirá y no podrá mantener unidas las piezas estructurales.
Conviene saber cuál es el límite elástico de los tornillos antes de utilizarlos. Esto es aún más importante si las piezas unidas son frágiles. La razón es que si el tornillo supera su límite elástico, se deformará y se romperá, provocando el fallo de la unión. Como resultado, las piezas unidas se desharán y acabarán rompiéndose. En este artículo he tratado todo lo relativo al cálculo del límite elástico.