MATERIALES TRADICIONALES AVANZADOS

8/18/2019 MATERIALES TRADICIONALES AVANZADOS

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MATERIALES TRADICIONALES Y AVANZADOS

J. I. Verdeja (Escuela de Minas de Oviedo). Catedrático de Metalotecnia.J. P. Sancho (Escuela de Minas de Oviedo). Catedrático de Metalurgia.

. !. Verdeja (Escuela de Minas). Catedrático de Siderurgia.

Resumen

a distinci"n entre #ateriales tradicionales $ avan%ados resulta #ás &ien con'usa actual#ente.Con las nuevas tecnolog as de 'a&ricaci"n ueden o&tenerse #ateriales estructurales tan ligeros*resistentes* tenaces $ &aratos +ue #erecen todos el cali'icativo de avan%ados.

Palabras clave, Materiales avan%ados* selecci"n de #ateriales. -cero* alu#inio $ #aterialesco# uestos.

Abstract

he distinction &et/een traditional and #odern #aterials is currentl$ rather con'used. 0asedon the ne/ 'a&rication technologies /e are a&le to roduce so #uch light* strong* tough and cheastructural #aterials that the$ all could &e considered as advanced one s.

Key !r"s , -dvanced #aterials* #aterials selection. Steel* alu#iniu# and co# osites.

1.2Intr!"ucc#$n%

a Ciencia $ ecnolog a de Materiales tiene tres 'inalidades,

2 elegir el #aterial adecuado ara ser utili%ado en las condiciones re+ueridas una ve% 'ijadasu naturale%a o co# osici"n +u #ica*

2 seleccionar la calidad adecuada a la #isi"n +ue se le enco#ienda*

2 fabricar y manipular en la 'or#a recisa ara +ue* #ediante los adecuados trata#ientos 3 t4r#icos $ #ecánicos2 lograr +ue alcance la estructura 3cristalina* v trea o a#or'a2 #ás enconsonancia con las ro iedades a etecidas5 4stas ueden ser ' sicas 3rigide%*conductividad* te# eratura de 'usi"n2* +u #icas 3resistencia a la o6idaci"n* corrosi"n*#oja&ilidad2* o #ecánicas 3resistencia #ecánica* dure%a $ tenacidad2.

Ca&e en este unto distinguir entremateriales estructurales $ materiales funcionales . os ri#eros son e# leados en virtud de alguna de sus ro iedades #ecánicas 3aceros ara'errocarriles o estructuras #etálicas5 hor#igones ara grandes o&ras de ingenier a civil* aleacionesligeras ara las industrias del trans orte terrestre $ aeroes acial25 los segundos* #ateriales'uncionales* ara ciertas a licaciones es ec 'icas 3resistencia al calor* a las radiaciones* ro iedades " ticas* electr"nicas o #agn4ticas* &io#ateriales* etc.2 +ue restringen su ca# o deutili%aci"n* haciendo de ellos 3si se co# aran con los estructurales2 #ateriales ha&itual#entecaros.

a drástica distinci"n esta&lecida ente unos $ otros de&erá ser e# leada con la de&ida rudencia, a un #is#o #aterial 3 ara una deter#inada a licaci"n2 uede e6ig rsele di'erentes

virtualidades5 or eje# lo* al acero e# leado en la carrocer a de los coches se le ide ri#ordial#ente +ue asegure la esta&ilidad $ seguridad #ecánica del ha&itáculo* ero ta#&i4n

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+ue roteja a los asajeros contra el 'r o* la lluvia $ el viento5 las su eraleaciones de &ase n +ueson #ateriales de elecci"n ara la 'a&ricaci"n de ála&es de tur&ina no sola#ente or su elevadaresistencia a corrosi"n sino* ade#ás* or+ue retienen &uena arte de sus ro iedades #ecánicas 3 resistencia a la de'or#aci"n or 'luencia2 hasta te# eraturas su eriores a los 1.888 9C. Entre los#ateriales ura#ente estructurales o 'uncionales* e6iste una a# lia ga#a de #ateriales

inter#edios todos ellos i# rescindi&les* en #a$or o #enor #edida* ara el desarrollotecnol"gico, os #otores a reacci"n no hu&ieran sido osi&les sin el e# leo de lassu eraleaciones5 los circuitos electr"nicos* sin el uso de Si e6tra2 uro o del -s:a5 la 'a&ricaci"ndel alu#inio* or v a electrol tica* es osi&le or el e# leo de cátodos de car&ono2gra'ito*alta#ente resistentes a la corrosi"n or arte del #etal 'undido5 en 'in* al desarrollo de lascentrales nucleares de otencia en sus variantes P;< 3agua a resi"n2 $ 0;< 3agua ene&ullici"n2* ha contri&uido el uso de nuevas aleaciones de =irconio 3=ircallo$s2 trans arentes alos neutrones. os eje# los odr an #ulti licarse.

Ci>4ndonos #ás al ca# o de los #ateriales ?esencial#ente@estructurales , #etálicos*cerá#icos* ol #eros $ sus h &ridos 3#ateriales co# uestos* co# osites2* las osi&ilidades deelecci"n* al #enos otenciales* a&arcan una ci'ra glo&al su erior a los A8.888. El ri#er cuadro*

a&la 1* recoge las ro iedades generales* ventajas e inconvenientes de los #etales* cerá#icos* ol #eros $ co# uestos. El segundo* a&la 7* las ro iedades 'unda#entales $ recio orientativode B #ateriales* considerados e#&le#áticos* dentro de la gran variedad dis oni&le. En la ráctica la selecci"n ara una deter#inada a licaci"n* suele +uedar restringida a unos ocos en'unci"n 3$a diji#os2 de sus ro iedades intr nsecas (rigide%* densidad* resistencia #ecánica*tenacidad* etc.) $ de ciertas ro iedades atri&utivas (costo* calidad su er'icial* dis oni&ilidad)5 de alguna otra ro iedad 'uncional co# le#entaria co#o ser a su resistencia a corrosi"n $ a late# eratura* carácter conductor* se#iconductor o aislante* co# ati&ilidad &iol"gica*degrada&ilidad* etc. Esta selecci"n va cerrándose* 'ocali%ándose* con'or#e avan%a el roceso dedise>o de una ie%a o co# onente deter#inado en sus di'erentes 'ases, conce tual* cro+ui%aci"n$ detalle. Pero $a desde esta ri#era eta a* la conce tual* será la selecci"n no s"lo or

propiedades sino ta#&i4n en atenci"n a sucoste * lo +ue 'acilitará el 'in erseguido, la ie%a oco# onente decalidad y precio " ti#os. Esta a ro6i#aci"n resulta articular#ente válida araa+uellos #ateriales de #ás a# lia utili%aci"n en ingenier a civil* #ecánica $ 'a&ricaci"n de &ienesde e+ui o* en los +ue su coste incide #ás elevada#ente en el recio glo&al del roducto aca&ado.D es recisa#ente este segundo as ecto* el econ"#ico* el +ue ha dictado +ue* deter#inados#ateriales considerados tradicionales or el gran &lico 3acero* hor#ig"n* #adera $ iedra2 noha$an sido ni serán des la%ados or otros #ás #odernos o nuevos 3aleaciones ligeras* ol #eros*co# osites2 a#4n de otras consideraciones. Fn &uen eje# lo 3+ui%á el #ás a ro iado2 +ue#uestra hasta d"nde lainnovación no ro# e con latradición 3ignorancia ser a a'ir#arlo2 sino+ue a#&as se entrela%an* co# le#entan $ co# iten #utua#ente será el de losnuevos #aterialesdeno#inados Co# uestos o Co# osites.

7.2Mater#ales c!m&uest!s.

Se acu>" este no#&re en la d4cada de los A8. -ugurándoles un &rillante rovenir* su desarrollo arece resultar #enos es ectacular de lo es erado* or #otivos +ue* #ás adelante* e6 ondre#os.

-0 - 1

G


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PROPIEDADES 'VENTA(AS E INCONVENIENTES) DE LOS MATERIALES MET*LICOS+CER*MICOS+ POL,MEROS Y COMP-ESTOS%

M- Eo* aja al ue&lo ara hacer ladrillos5 +ue va$an ellos arecogerla@. os ladrillos* arcilla re'or%ada or aja* eran verdaderos #ateriales co# uestos5 ode#os su oner +ue la aja 3las 'i&ras2 no esta&a orientada sino +ue ten a una dis osici"n

W


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-0 - 7


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a ro6i#ada#ente is"tro a 3tridi#ensional2 resistente a las tensiones +ue ueden a arecer ens"lidos tra&ajando a co# resi"n.


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Macrogra' a 1. Ca a ce#entada en un acero &oni'icado.

Microgra' a 7. Microgra' a electr"nica de la erlita (#aterial co# uesto de #atri% #etálica).

B


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Microgra' a G. !undici"n nodular de #atri% 'err tica.

Microgra' a W. !undici"n Tigh Chro#iu# Material co# uesto de #atri% #artens tica $ car&uros 7)

X


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Microgra' a . !undici"n ihard (#aterial co# uesto or #atri% ce#ent tica 3 car&uros c2)

lugar* el hor#ig"n resiste articular#ente &ien la acci"n erosiva $ corrosiva del agua* haciendodel hor#ig"n un #aterial de selecci"n ara su trans orte $ control 3 resas $ conducciones deagua2. En contra de la creencia o ular* el hor#ig"n $ el hor#ig"n ar#ado no son atacados or elagua5 ahora &ien* si 4sta contiene cloruros* sul'atos $ di"6ido de car&ono en soluci"n* a+u4l ueddeteriorarse. En +uinto $ lti#o lugar* odr a#os decir +ue el hor#ig"n* aun+ue tra&aja #u$#ediocre#ente a tracci"n* 'acilita enor#e#ente su re'uer%o or el acero 3nuevo ingrediente del

#aterial co# uesto2 ara au#entar esta ro iedad #ecánica. En contra artida* el hor#ig"n rotege al acero 3&arrera ' sica2 de los agentes +u #icos e6ternos $ le sit a en un #edio alcalino 3 &arrera +u #ica2 +ue asiva el acero* rotegi4ndole de la corrosi"n. -de#ás los redondos arahor#ig"n ar#ado suelen ser de Y&aja calidad sider rgicaZ* o&tenidos a artir de chatarras* esdecir* &aratos, el hor#ig"n 3constitu$ente #atri%2 se ocu ará de cuidarlos $ +ue cu# lan su'unci"n.

- esar de las ventajas anterior#ente rese>adas* el hor#ig"n ha sido ráctica#ente ignorado or los res onsa&les de la investigaci"n $ desarrollo en Ciencia $ ecnolog a de Materiales. Co#ora%"n rinci al se adujo +ue el hor#ig"n era un #aterial de ?&aja tecnolog a@ $* or este #otivo* oco a to ara la investigaci"n, nada #ás lejos de la verdad. a a&la adjunta* a&la G* o'rece una anorá#ica general de la co# lejidad t4cnica +ue o'rece en relaci"n con otros #ateriales +ue sehan a ro iado el t tulo de ?avan%ados@5 se deduce* de su o&servaci"n +ue or ?&aja tecnologalgunos entienden ?&ajo recio@. En realidad* [son a#&os as ectos inco# ati&les\ [ o es #ás &ien el &ino#io &uenas ro iedades2&ajo recio el +ue trata de conjugar el ingeniero en laelecci"n $ selecci"n de #ateriales estructurales\.

Ilustre#os 3 ara ter#inar el a artado2* con tres #ateriales* dos de ellos consideradosconvencionales 3acero $ hor#ig"n ar#ado2 $ otro avan%ado 3e o6$ re'or%ada or 'i&ra de C*C!


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% &

' ⋅=σ

ρ

Material de elecci"n será a+u4l cu$o cociente resistencia #ecánicaRdensidad 3^R`2 resultem imo.

2 M$nimo coste ! ] ^_ - 5 V ] -_ 5 C ] c _̀_-_

% &

cC p ⋅⋅⋅=σ

ρ

Material de elecci"n será a+u4l cu$o cociente resistencia #ecánicaRcoste 3^Rc _̀2 seam imo.

Para unas caracter sticas de nuestros #ateriales,

` (MgR#G

) ^ (MPa) c (bR g)

2 Tor#ig"n ar#ado

2 -cero construcci"n

2 C!


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#odelos de análisis atri&utivo. -s su uestas tres ro iedades gen4ricas 3 odr a tratarse de suresistencia es ec 'ica* < ] ^R`5 tenacidad es ec 'ica* ] cR` $ recio es ec 'ico, C ] ^R`c 3conun 'actor de eso asignado a cada una de ellas2 ;< * ; * ; C2 la valoraci"n o untuaci"n o&tenida or un #aterial I* entre los dis oni&les* ser a igual a,

)(; 188 < Ma)

* C

Ma)

* +

Ma)

*

C C ,

+ + ,

- -. ++=

donde los su& ndices Ma6 se re'ieren al #aterial con el #á6i#o valor de la ro iedadconsiderada. Si los 'actores de eso se e6 resan en tanto or uno el ran ing o clasi'icaci"n or ro iedades +uedar a co# rendido entre 8 $ 188. - licándolo al eje# lo anterior* con s"lo dos ro iedades 3resistencia $ coste2 consideradas aritaria#ente (;< ] 8* 5 ;C ] 8* )* el valor delos #ateriales considerados ser a,

C8CCA

7.C*8

WGGWGG

.C*8188

17CCABB

.C*8WGGGa

.C*8188

AaCCACCA

.C*8WGG1AB

.C*8188

....

..

..

=+=

=+=

=+=

' - & C

C #

# "

.

.

.

a elecci"n se decantar a clara#ente hacia el hor#ig"n ar#ado. Te a+u e6 uesto* de #anera#u$ sencilla $ es+ue#ática* un eje# lo +ue constitu$e un #otivo serio de re'le6i"n.

.%) Mater#ales m!"ern!sa si# le ro osici"n* enunciado $ resoluci"n de los eje# los anteriores ilustra el a el

dese# e>ado en la ?civili%aci"n ingenieril@ $ #arca la evoluci"n de los #ateriales si# les hacialos #ateriales co# uestos. En e'ecto* los #ateriales si# les* si se trata de #etales uros sonde#asiado &landos5 si cerá#icos* de#asiado 'rágiles* #icrogra' a A5 si ol #eros* de#asiadode'or#a&les o inesta&les con la te# eratura. Su e# leo será creciente en el 'uturo* gracias a una#ejor inteligencia o conoci#iento de los #ateriales si# les* $ a la dis oni&ilidad de #aterias ri#as $ de energ a ara 'a&ricarlos. He la gran variedad de #ateriales estructurales si# lesderiva la gran diversidad de siste#as o co#&inaciones osi&les ara ela&orar los #aterialesco# uestos.

Va#os a intentar esta&lecer* a artir de la variedad* algunos hilos conductores* +ue sirvan deele#entos de clasi'icaci"n de los #ateriales co# uestos.

2 %a escala , uede a&arcar desde el ngstro# (18218 #) 3re'uer%o de un #etal uro or áto#os en soluci"n s"lida2 hasta decenas de #etros (187 #) 3di+ues construidos conhor#ig"n ar#ado2. V4ase la !igura 1 adjunta.

2 %a naturale/a de la #atri% $ del re'uer%o, uede ser #etálica* cerá#ica* v trea u orgánica.Fn cerá#ico au#entará la dure%a de una #atri% #etálica. Fn #etal o un cerá#icoincre#entarán la resistencia $ tenacidad de una #atri% oli#4rica.

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Microgra' a A. Material re'ractario de alta #agnesia.

!igura 1. Hi#ensiones de las Y'asesZ dis ersas en los #ateriales co# uestos (Salesse)

2 'ropiedades f$sicas y mec nicas * tales co#o el #"dulo elástico en tracci"n (E)5 enci%alla#iento (:)* densidad $ carga de rotura de los #ateriales si# les.

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2 !nlace entre fases $ su co# ati&ilidad en 'unci"n de la te# eratura.. as uniones ' sicasson #enos interactivas +ue las +u #icas, oseen #a$or energ a su er'icial. os #aterialessi# les +ue constitu$en el ?co# osite@ uede no 'or#ar un siste#a en el sentidoter#odiná#ico del t4r#ino.

2 %ongitud " ti#a o cr tica de anclaje de las 'i&ras de re'uer%o +ue aseguren* or eje# lo un# ni#o de tenacidad en la #atri%. - lica&le* or eje# lo* a los ol #eros re'or%ados or 'i&ra de vidrio 3:!


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Microgra' a B. :!


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deter#inados aceros2 cu$a carga de rotura es del orden de G :Pa. fDa nos encontra#os a#enos de die% veces or de&ajo de la carga de rotura te"rica . He #odo +ue los cristales #áss"lidos resultan 3 arad"jica#ente2 ser los #ás er'ectos* o los #ás cargados de de'ectos. Fnarelaci"n cuantitativa entre resistencia #ecánica* ará#etros de la #atri% $ de'ectosintroducidos en ella 3 untuales* lineales* de su er'icie o volu#en2 a lica&le a los #etales* es

la +ue sigue,7R1

888.18−

++++= d + 2b %2b

C 22

- 3g 1 1 e ρ δ

siendo,

< e , l #ite elástico: , #"dulo de ci%alla#iento

s , di'erencia relativa de radios at"#icos del solvente $ del solutoCs , concentraci"n de soluto (en tanto or uno)

& , distancia # ni#a entre áto#os, distancia tangente entre reci itados` , densidad de dislocaciones

jg , coe'iciente de endureci#iento or junta de granod , ta#a>o de grano

- li+ue#os esta '"r#ula a dos sencillos eje# los.

Caso 1 , Endureci#iento or soluci"n s"lida so&resaturada de la aleaci"n -l2 * Mg*de'or#ada en 'r o (estado T GW)* #icrogra' a X.

Hatos, Pará#etro de red del -l* W 5 ará#etro de red del Mg* G*7 5 M"dulo deci%alla#iento de -l* 7.B88 gR##75 densidad de dislocaciones* ` ] 1818 c#Rc#G. He donde*

)7a8(R7a1818X*7B88.78CC*8X*7

X*77*GB88.7

888.18B88.7 718X M'amm +g - e ≈⋅⋅+⋅

−⋅+≈ −

Caso 2 , Endureci#iento or a'ino de grano $ reci itaci"n (la#inaci"n controlada) de unacero TS -* #icrogra' a .

Hatos, Pará#etro de red del !e* 7*XA 5 M"dulo de ci%alla#iento del !e* X. 88 gR##75ta#a>o de grano 'err tico -S M 17 ( #icras)5 distancia entre reci itados* 1.G 8 5 jg ]1*BW g_## 2GR7. He donde*

)W88(RW888C*8

BW*1GC8.1

WX*7C88.X888.18

C88.X 7 M'amm +g - e ≈+⋅+≈

Es or ello +ue el conoci#iento de la naturale%a (co# osici"n +u #ica* diagra#a desolidi'icaci"n $ trans'or#aciones en estado s"lido)* estructura #icrográ'ica (ta#a>o de grano) $nanosc" ica ( reci itados* su&estructura $ densidad de dislocaciones) resulta a&soluta#enteindis ensa&le.

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Microgra' a X. -leaci"n 8XA -S M. -l W Mg* de'or#ada en 'r o. < ] 7W MPa.

Microgra' a . -cero TS -. a#a>o de grano 17 -S M.

os trata#ientos t4r#icos $ #ecánicos tienen or 'inalidad #odi'icar la naturale%a* ta#a>o $distri&uci"n de de'ectos en la #atri%. - ellos resultan articular#ente sensi&les a+uellos#ateriales +ue resentan ca#&ios de solu&ilidad o de alotro a en estado s"lido. He #odo +ue laresistencia #ecánica es 'unci"n de la estructura. Pode#os conseguir +ue un #is#o #aterial 3 sie# re +ue su #atri% resulte su'iciente#ente r gida2 sea de &aja* #edia o alta resistencia.

1A


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(0) #dición de resistencia de las fases matri/ y dispersa

Es el caso de los #ateriales co# uestos sint4ticos* en los +ue las 'i&ras han sido dis uestas 3

ordenada o aleatoria#ente2 en una #atri% ree6istente.Para e+ue>as de'or#aciones 3en r4gi#en elástico2 uede considerarse válida la regla de las

#e%clas en lo +ue al cálculo de la rigide% $ resistencia #ecánica se re'iere. He #odo +ue en ladirecci"n aralela a las 'i&ras* se veri'ica,

E ] E# V# E' V'

^ ] ^ # V# '̂ V'

siendo V# $ V' las 'racciones en volu#en de #atri% $ 'i&ra5 E# * E' * #̂ $ '̂ sus #"dulos de Doung$ resistencia #ecánica res ectiva#ente.

Para de'or#aciones er#anentes 3 lásticas2 la resistencia #ecánica del co# osite no seajusta ordinaria#ente a la regla de las #e%clas. He este hecho* a arente#ente arad"jico eroreal* se sigue +ue uede dis#inuir la carga de rotura del constitu$ente #atri% si se le a>ade una ro orci"n de 'i&ras 3constitu$ente dis erso duro $ 'rágil2 in'erior a un deter#inado valor cr tico*Vc * dado or,

1

1

−

−+=

m y

m f

f f

c4 σ σ

σ

2 '̂ ' es la carga de rotura de las 'i&ras5 ^$# * '̂ # * el l #ite elástico $ carga de rotura de la#atri% res ectiva#ente.

El hecho es +ue las 'i&ras co#ien%an a ro# erse con la de'or#aci"n $ su volu#en se sustraedel ?volu#en e'ica%@ de la #atri%. a variaci"n de la carga #á6i#a so ortada or el?co# osite@ en 'unci"n de V' * a arece re'lejada en la !igura G adjunta. Se advierte +ue laresistencia asa or un # ni#o ara el volu#en de 'i&ras cr tico* Vc * arri&a indicado. En losC!


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: c es la su#a de dos t4r#inos, el ri#ero kc * es la energ a de descohesi"n o clivaje a&sor&ida or unidad de área de ro agaci"n de la grieta5 el segundo kd 3el #ás i# ortante2 coincide con laenerg a lástica al#acenada en los 'rentes de grieta* si se trata de aleaciones #etálicas5 ara#ateriales co# uestos* ti o C!o de grano #u$ 'ino (17 -S M* #) 'errito2 erl tico*endurecido estructural#ente* alcan%a una resistencia #ecánica de 88 MPa con tenacidadese6celentes hasta te# eraturas criog4nicas. El ndice G de la atri&uci"n anterior 3 or o ti#i%aci"nde eso2 se convertir a en AW. D el ndice BB de la atri&uci"n anterior 3 or o ti#i%aci"n de costse convertir a en 17X. D su valor ] WA fSe trata de un nuevo #aterial* de un #aterial #oderno .

a alta tecnolog a $ el &ajo recio se han hecho recisa#ente co# ati&les.

1X


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!ig. G.2


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ahorro conseguido en la roducci"n $ #anu'actura de un roducto 'a&ricado en grandescantidades uede tener una a# lia re ercusi"n en t4r#inos econ"#icos. Pense#os en laindustria de 'a&ricaci"n de &otes 3latas2 de &e&idas en aleaciones de alu#inio5 su one un totalde 178m18b.Pues &ien* cual+uier #ejora de roceso +ue su usiera un ahorro del 8*1 3 cantidad en rinci io des recia&le2 e+uivaldr a a una econo# a glo&al de 178 #illones de

d"lares F.S.-.* ci'ra #u$ considera&le.Pero se da* ade#ás* la aradoja $a evocada, los Estados dedican #ás dinero a la

investigaci"n de ?nuevos #ateriales@ +ue a la de ?#ateriales tradicionales@ cuando estoslti#os su onen un de la de#anda en el #ercado de #ateriales. Esta distorsi"n uede

de&erse* en arte* a la a arici"n de nuevos #ateriales ara a licaciones estricta#ente #ilitares 3caros2 +ue di' cil#ente ueden tener 3al #enos or el #o#ento2 a licaciones civiles deenvergadura* +ue de#andan #ateriales &aratos a la ve% +ue 'ia&les. Por eje# lo en F.S.-.*durante la d4cada de los X8* el Estado !ederal su'raga&a el W de los 'ondos deI H en#ateriales* con articular 4n'asis 3el orcentaje era nota&le#ente #a$or3 en los ?nuevos#ateriales@. a situaci"n actual ha variado nota&le#ente5 as * los 'ondos destinados or elMinisterio de He'ensa ara el desarrollo de #ateriales $ #etales avan%ados ha sido reducidodrástica#ente. Tace ocos a>os* el citado Organis#o se ocu a&a* no s"lo del I H en#ateriales* sino* ade#ás* de su 'a&ricaci"n $ consu#o, se a&astec a de los roductos +ueinvestiga&a* alguno de los cuales encontraron usos co#erciales. To$ intenta ro#over* #ás &ien* tecnolog as duales 3co#erciales $ #ilitares2 con 'uturo. En F.S.-. se a uesta or lacola&oraci"n entre Estado ( a&oratorios acionales)* He arta#entos Fniversitarios eIndustria5 4sta de&e asu#ir a sus e6 ensas arte de los gastos de I H* del #is#o #odo +uerecoge 3co#o un socio #ás3 los &ene'icios o&tenidos. Mu$ ocas e# resas ueden costear or s solas la investigaci"n +ue les interesa 3situaci"n #od4lica hace veinticinco a>os2 $ el:o&ierno ani#a* a las +ue a$er 'ueron industrias concurrentes* a artici ar en ro$ectosco#unes* li&res de la a#ena%a de una legislaci"n antitrust. En lo +ue al a el de laInvestigaci"n universitaria se re'iere ara la #ejora de #ateriales $ tecnolog as e6istentes $Rosu contri&uci"n al desarrollo de las e#ergentes* de&er an tenerse en cuenta las siguientesconsideraciones,

2 a Investigaci"n &ásica uede jugar un a el decisivo sie# re +ue est4 'ocali%ada a lasnecesidades de la industria.

2 a Investigaci"n &ásica de&e desarrollarse en Centros -cad4#icos su eriores* 'inanciada$ guiada or la industria. a Investigaci"n a licada de&e desarrollarse 'unda#ental#enteen la industria* lantas iloto incluidas.

2 a Investigaci"n en las Fniversidades $ He arta#entos Fniversitarios de&e ser 'unda#ental* a largo la%o* evitando investigaciones Yre etitivasZ o YrutinariasZ* deca taci"n de dinero $ a corto la%o.

2 os resultados derivados de la Investigaci"n &ásica de&en su erar el si# le o&jetivo de la u&licaci"n de art culos $ u&licaciones en congresos. os investigadores universitarios ueden co#unicarse directa#ente con la industria* 'avoreciendo la ejecuci"n de acciones$ ro$ectos interactivos.

2 Por lo de#ás* en 'rase del Pro'esor Pero2San%* los #ateriales no han de ser co#o ersonajes irandellianos en &usca de un atrocinador 3#ateriales Yen &usca dea licacionesZ2 sino #ás &ien la res uesta concreta a unas e6igencias de servicio o de

roducci"n de#andadas or la industria $ el consu#o.

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El 'uturo arece a ostar or #ateriales energ4tica#ente &aratos* 'ácil#ente recicla&les $utili%a&les or todo el #undo* +ue llenen el vac o econ"#ico* cient 'ico $ t4cnico*actual#ente e6istente* entre los a ses #ás industriali%ados del Te#is'erio orte $ a+uellosen v as de desarrollo del Te#is'erio Sur.

/%) Pr!yect! -LSA0

Fn al itante eje# lo* +ue recoge arte de las ideas anterior#ente e6 uestas* acerca de laco# etici"n actual entre #ateriales* se encuentra en la 'a&ricaci"n de carrocer as deauto#"vil en acero o aleaciones de alu#inio. En e'ecto* la conservaci"n $ de'ensa del #edioa#&iente es uno de los o&jetivos #arcados or el ho#&re en este 'inal de siglo. os'a&ricantes de auto#"viles se han visto* or ello* t4cnica* co#ercial $ ecol"gica#entee# ujados a reducir el consu#o de co#&usti&le de los veh culos $ las e#isionesconta#inantes, en de'initiva a dis#inuir su eso. El e# leo de aleaciones ligeras* de &asealu#inio odr a resultar una soluci"n novedosa, su densidad 37*B gRc#G2* es casi tres vecesin'erior a la del acero 3B*X gRc#G2* aun+ue resenta res ecto a este lti#o* atendiendo acriterios o ro iedades 'unda#entales ' sicas* #ecánicas $ +u #icas* las desventajassiguientes,

2 a resistencia a la enetraci"n 3dure%a3 de los aneles $ er'iles de alu#inio es in'erior ala del acero* or lo +ue nos ver a#os o&ligados a incre#entar su ancho $Ro es esor (su eso).

2 a con'or#a&ilidad* a titud a la e#&utici"n* del alu#inio es #u$ in'erior a la del acero.Posee #ucha #a$or tendencia al adelga%a#iento $ a la estricci"n. Esta di'erencia 3&asadaen la di'erente cristalinidad de uno $ otro ele#ento2 arece tecnol"gica#ente insalva&le.El e# leo de alu#inio o&ligar a* ade#ás* a un redi#ensiona#iento de los tiles decon'or#ado.

2 El acero uede envejecerse 3incre#entar su l #ite elástico2 durante el estu'ado +ue sigue ala 'ase 'inal de intura (&a e hardening). El endureci#iento 3envejeci#iento arti'icial2 delas aleaciones de alu#inio #ás usuales* series 7888 (-l2Cu2Mg) $ A888 (-l2Mg2Si)* aralograr las ro iedades a etecidas (vid. a&la 7)* re+uerir a te# eraturas $ tie# os detrata#iento de 788 9C $ G8 #inutos res ectiva#ente* su eriores a las de estu'adoconvencional del acero. Por tanto* o eraciones e6tra* costes adicionales $ #enor roductividad.

2 El #"dulo de Doung del alu#inio 3B8 :Pa2 es tres veces in'erior al del acero 3718 :Pa2* or lo +ue la osi&ilidad de recu eraci"n elástica de ie%as esta# adas en aleaciones dealu#inio es tres veces su erior a las 'a&ricadas con acero. os recha%os au#entan $ la roductividad dis#inu$e.

2 El alu#inio resenta #a$ores ro&le#as de soldadura or resistencia +ue el acero*derivados de su #enor unto de 'usi"n 3tie# os de soldadura #ás recisos $ cortos2*a'inidad or el o6 geno 3'or#aci"n de ieles de al #ina +ue inter'ieren la continuidad dela uni"n soldada2* #a$or conductividad el4ctrica $ t4r#ica 3%onas a'ectadas or el calor #ás anchas* #ecánica#ente deterioradas25 $ alta re'lectividad " tica* +ue di'iculta susoldadura or ra$os láser.

2 a recicla&ilidad del acero $ 'undiciones e# leadas en auto#oci"n no resenta #a$oresinconvenientes* su in'raestructura está a unto desde hace varias d4cadas $ no se altera la

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calidad de las es eci'icaciones e# leadas. Por el contrario* el reciclado de las di'erentesaleaciones de alu#inio 3 resentes en la estructura $ aneles de un auto#"vil 'a&ricado a artir de este #aterial2 lantea ro&le#as de co# ati&ilidad, un alu#inio recicladogeneral#ente es un alu#inio degradado5 la resencia de !e* or eje# lo* en cantidadessu eriores al 8* en la chatarra* origina 4rdidas en el roceso de re'usi"n $ un estado

inclusionario indesea&le* #icrogra' a 18.

Microgra' a 18. -lu#inio reciclado. Estado &ruto de #oldeo. Constitu$ente #atri% (α !eG-l).

- esar de todos los inconvenientes citados* la dis#inuci"n en eso 3de un G8 a un W8 2lograda en coches con carrocer a de alu#inio* odr a de'initiva#ente decantarnos hacia sue# leo $ utili%aci"n intensiva en el 'uturo. os #a$ores costes de #aterias ri#as $'a&ricaci"n* en relaci"n al acero* se ver an resu#i&le#ente co# ensados or el #enor consu#o de co#&usti&le 3del G al B or cada 18 de reducci"n de eso2 e i# acto#edioa#&iental durante el tie# o de vida del veh culo. En cual+uier caso* la in'le6i"ncarrocer a de alu#inio2carrocer a de acero* seg n datos a ortados or un 'a&ricante ale#án deauto#"viles* se situar a alrededor de las 7 .888 unidadesRa>o. Para series #a$ores* el reciodel auto#"vil de alu#inio se dis arar a, el alu#inio s"lo ro orcionar a ?#ovilidad@ a losricos (vid. a&la 7).

-nte esta atente $ $a real co# etitividad or arte del alu#inio en la industria delauto#"vil* la res uesta de los aceristas no se ha hecho es erar. G7 e# resas sider rgicas 3 entre ellas -CE


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2 Conseguir una reducci"n signi'icativa de eso en la carrocer a* hasta del G * res ecto alos auto#"viles de re'erencia. uedar a en unos 788 g.

2 Conseguir los o&jetivos estructurales $ 'uncionales a continuaci"n citados, rigide%su erior a 17.788 .#R##5 resistencia a torsi"n su erior a 1G.888 .#Rgrado5 #odo uno

de vi&raci"n su erior a W8 T%.2 - ortar conce tos de dise>o* análisis or ele#entos 'initos* nuevos #ateriales (aceros) $

rocesos de con'or#ado* ensa#&laje $ aca&ado a lica&les a los veh culos del 'uturo.

os ro#otores del Pro$ecto F S-0 aseguran +ue su o&jetivo ri#ordial de ahorro de eso* #antiene la seguridad* tie# o en servicio $ econo# a de los veh culos. Signi'ica*ade#ás* el inicio de un conjunto de osi&ilidades co# le#entarias de reducci"n de eso enlos auto#"viles. El e# leo de otros #ateriales 3co#o alu#inio $ aleaciones2 au#entar ainevita&le#ente el coste sin contra restaciones co# le#entarias rese>a&les. El veh culoF S-0 ahorrar a en #ateriales 3'ácil#ente recicla&les or otro lado2* reducir a e#isionesconta#inantes $ a&aratar a coste sin detri#ento de la seguridad.

-0 - G

COMPARACI1N DE DI2ERENTES MATERIALES ESTR-CT-RALES AVANZADOS 34anss!n5

Tor#ig"n MMC Su eraleaciones Microchi s Cerá#icas tenaces

#Ra>o L 18 222 18W 187 18

Costo bR g 8*18 222 788 8.888 788

Segundas 'asesPoros* Ca (OT)-rena* iedra*

Tierro

Part culas!i&rasá#inas

k Soluci"n s"lida(do ing)

Part culas!i&ras

Hi#ensi"nSegundas 'ases (n#)

1 3 1818 187 3 18W 18G 187 18W

a#a>o ie%as 1 # # 88 ## 88 ## 18 ## 188 ##

ugar de 'a&ricaci"n Inte# erie Inte# erie !á&rica !á&rica !á&rica

Condiciones de'a&ricaci"n

!r oluviaSol

vac o oat#"s'eracontrolada

vac o sala &lancavac o o

at#"s'eracontrolada

En conclusi"n* uede a'ir#arse +ue el alu#inio es* $ seguirá siendo* un co# etidor te#i&le de los aceros* so&re todo de las 'undiciones* en el sector de la auto#oci"n* articular#ente cuando se trata de e+ue>as series. El i# acto de una industria tan

concentrada $ agresiva co#o la del alu#inio* no de&e ser #enos reciada or los aceristas $'a&ricantes de veh culos. El acero seguirá siendo su #ateria ri#a rinci al* entre el 8 $ A8

7G


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del eso. D esta osici"n rivilegiada uede ser consolidada or los sider rgicos* o&ligados 3de #odo rogresivo2 a su#inistrar aceros con #a$or resistencia #ecánica* con'or#a&ilidad$ co# orta#iento a corrosi"n (aceros TS -* F C* EHH * cha as rerrecu&iertas*#icrogra' a 11.). Por otro lado* los 'a&ricantes de auto#"viles de&er an conocer estas nuevas osi&ilidades o'ertadas or los aceristas. a industria del acero necesita a&rirse a los #edios

de co#unicaci"n* organis#os o'iciales* asociaciones de consu#idores* c rculos universitarios$sectores 'inancieros* ara #ostrarles $ e6 licarles +ue las osi&ilidades de reducci"n de esode los auto#"viles* 'a&ricados a artir de sus roductos* a n no están agotadas. He ah * el ro$ecto F S-0.

Microgra' a 11. -cero galvani%ado ara e#&utici"n.


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Mu$ ocas ersonas iensan +ue las ?si# les@ latas de &e&ida son un roducto de altatecnolog a ara un Ingeniero de Materiales. Sin e#&argo* los re+ueri#ientos de dise>o sone6igentes, de&en 'a&ricarse en dos ie%as 3cuer o $ ta a2 evitando soldaduras laterales5 serligeras* estancas* no t"6icas* resistentes a corrosi"n $ recicla&les. Co#enta#os* de asada* enel - artado G la i# resionante ci'ra de negocios +ue su on a la 'a&ricaci"n de &otes en

aleaci"n de alu#inio. Sola#ente* en los Estados Fnidos* se 'a&rican cien #il #illones dereci ientes al a>o 3se consu#en diaria#ente unos trescientos #illones2* lo +ue su one*a ro6i#ada#ente* un 18 de la roducci"n anual de alu#inio ri#ario. a aleaci"nusual#ente e# leada es la G88W 2-l* 1 Mn* 1 Mg* 8*G Si2 +ue er#ite ser con'or#ada or estirado 3dra/n and ironing2 en una sola o eraci"n. os #ecanis#os de endureci#ientoo erativos en esta es eci'icaci"n son, or soluci"n s"lida* endureci#iento or reci itaci"n $endureci#iento or de'or#aci"n en 'r o* or acritud. Pero +ui%á el secreto de la 'a&ricaci"nresida #ás en el recocido 'inal de restauraci"n o recristali%aci"n arcial +ue 3 ara la #is#aresistencia del roducto en 'or#a de cha a2 ro orciona #a$or ductilidad* isotro a $ #ejor te6tura 3dis#inu$e las orejas de e#&utici"n $ 4rdidas or recortes2 +ue la cha a la#inada en'r o. ->ádase +ue la calidad su er'icial o&servada en el con'or#ado osterior resulta #ejor enlas cha as restauradas o arcial#ente recristali%adas desde este estado +ue* cuando se e# leauna cha a de id4ntica dure%a 3resistencia3 a la restaurada o arcial#ente recristali%ada* eroo&tenida directa#ente or de'or#aci"n en 'r o.

-lgunos odr an ensar +ue el alu#inio ha ter#inado or des la%ar al acero 3hojalata2 enla 'a&ricaci"n de envases de re'resco* si hace#os caso a los #edios usuales de in'or#aci"n $art culos t4cnicos divulgativos. ada #ás lejos de la realidad* tanto en los Estados Fnidosco#o en el resto del #undo* donde la co# etencia entre uno $ otro #aterial es cerrad si#a.Da co#enta#os en el - artado W +ue el alu#inio es ligero* ero se con'or#a #ucho eor +ueel acero $ energ4tica#ente resulta #ucho #ás caro5 7B8 :JR # ara el alu#inio 'rente a 1B:JR # ara el acero. a a&la recoge algunas caracter sticas geo#4tricas $ #ecánicas de &otes 'a&ricados con a#&os #ateriales. He su análisis ueden deducirse algunasconsecuencias interesantes,

2 El es esor del envase de acero es 1* veces in'erior al de alu#inio5 luego su eso es do&le(densidad tres veces su erior).

-0 -

CARACTER,STICAS DE -N ENVASE DE RE2RESCO

M- E


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2 os envases* sean de acero o de alu#inio* son estructural#ente e+ue>os ?reci ientes a resi"n@. ecesitan arte de su solide% ara resistir la resi"n interna ejercida or el CO7de la cerve%a $ &e&idas re'rescantes5 $ del 7 +ue se introduce en las &e&idas no gaseosasco#o los %u#os de 'rutas. Pero* aun+ue la resistencia a co# resi"n de los de acero o dealu#inio sea te"rica#ente #u$ elevada* la resistencia real al andeo es #ucho #ás &aja

ero tres veces su erior 3al serlo su #"dulo de Doung* ara igual es&elte% G. 3 en elenvase de acero +ue en el de alu#inio. Este resulta #ucho #ás sensi&le a los e'ectos dee6centricidad de la carga* a&olladuras $ de'ectos laterales* a veces di' cil#enteo&serva&les. En resu#en* el envase de alu#inio no so orta el eso de una ersona5 el deacero s . Corro&ora esta a'ir#aci"n la !igura W* +ue recoge las cargas a co# resi"n 3 so ortadas or envases de acero $ alu#inio2 en 'unci"n de la velocidad de de'or#aci"n.

!igura W.2 Ensa$os de co# resi"n de envases de acero $ alu#inio con di'erentes velocidadesde de'or#aci"n. Carga so ortada.

9%) C!nclus#!nes%

He los co#entarios $ eje# los* anterior#ente e6 uestos* arecen deducirse lasconsideraciones generales siguientes,

1.2 os #ateriales estructurales son &ásicos en la tecnolog a $ calidad de vida. as industrias+ue 'a&rican #ateriales de&en estar re aradas ara co# etir a nivel #undial. as 'uentes de'inanciaci"n e I H en las e# resas ueden resultar tan escasas +ue resulte necesariocola&orar con otras industrias del sector* agencias nacionales e instituciones universitarias. El'o#ento de la educaci"n en Metalurgia $ Materiales ser a #u$ desea&le, de su calidadde ender a +ue la tecnolog a a ortada se #antenga* desarrolle o #uera. Conta#os con

a&oratorios en Materiales 3u&icados en Centros &licos* rivados e industrias2 e'icientes.He&e cuidarse articular#ente la 'or#aci"n ro'esional de t4cnicos $ es ecialistas* as co#ola investigaci"n &ásica en los Centros Fniversitarios 3Escuelas $ !acultades2 de rangosu erior.

7.2 odo nuevo #aterial* con orvenir* de&e res onder a e6igencias no #era#ente t4cnicas*sino ta#&i4n a una de#anda tanto de #ercado co#o social. El #ejor #aterial ara una

deter#inada a licaci"n ha&rá de satis'acer una necesidad o e'ectuar un avance (innovaci"n)econ"#ica#ente asu#i&le or el #undo en +ue vivi#os. uego* &ajo estas ers ectivas*

7A


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#uchos #ateriales 3 e$orativa#ente cali'icados ?tradicionales@2* de&ida#ente #ejorados*seguirán siendo #ateriales #odernos, hor#ig"n* acero $ aleaciones de alu#inio* entre otros.

G.2 o tendrá lugar la tan u&licitada revoluci"n de los ?nuevos #ateriales@. En los r"6i#osa>os* el de los #ateriales e# leados coincidirán con los $a e6istentes* #ejorados en sus

ro iedades tanto intr nsecas co#o 'uncionales* 'áciles de reciclar* con &ajo consu#o deenerg a $ o erativos or su 'acilidad de con'or#ado* ensa#&laje $ #anejo. El ca# o dea licaci"n de #ateriales 'uncionales 3con alto valor a>adido2 continuará desarrollándose tanto or sus logros es ec 'icos co#o or su contri&uci"n a la #a$or e'iciencia de los #aterialesclásicos (auto#ati%aci"n de rocesos).

W.2 Fn conoci#iento racional de las ro iedades $ li#itaciones de los #ateriales si# lesconducirá a una #ejor a licaci"n de los #ateriales co# uestos 3+ue integrandi#ensional#ente die% "rdenes de #agnitud3 $ de los deno#inados ?#ulti#ateriales@2asociaci"n de #ateriales con vistas a deter#inados re+ueri#ientos de resistencia #ecánica $al #edio en +ue se encuentran (corrosi"n* vi&raciones* ruidos) 3 $a a# lia#ente di'undidosen las industrias del trans orte $ e#&alajes.

A7ra"ec#m#ent!s

os autores +uieren e6 resar su agradeci#iento a Ho>a eresa Iglesias $ H. Jos4 Ovidio:arc a or su valiosa cola&oraci"n en la re araci"n de te6to $ 'iguras.

0#bl#!7ra:;a

1. S- ESSE* M. (1 B8), ? es Mat4riau6 co# osites@.

7. C -< * J. P. D ! EMI :S* M. C. (1 XA), ? e/ #aterials and econo#$@. Scienti'ic-#erican.

G. !-


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. VE

Documents

MATERIALES TRADICIONALES AVANZADOS