CURSO DE EXTENSIONMATERIALES UTILIZADOS EN ESTRUCTURAS Y
COMPONENTES AERONÁUTICOS Y ESPACIALES
¿POR QUÉ A CIERTOS MATERIALES LOS DENOMINAMOS MATERIALES
AERONÁUTICOS?
Concepto: obtener un producto aeronáutico (aeronave, motor y
hélices) de alta confiabilidad
Requerimientos estructurales de acuerdo a la categoría de la
aeronave
Para cumplir con los requerimientos estructurales y tener
confiabilidad se deben certificar los materiales, es decir, debe
lograrse calidad y trazabilidad del producto.
¿Cómo se logra esta calidad en los materiales? Cumpliendo con
normas Nacional e Internacional aceptadas por las autoridades
aeronáuticas.
Normas: MIL (Military Standard), ASTM (American Society for Testing
and Material), NAS (National Aeronautics Standard), AN (Airforce
and Navy aeronautical Standard), propias de los fabricantes,
etc.
Requerimiento Aplicable
(normalizados)
requerimiento
Ensayo de tracción: consiste en ir aplicando una carga (máquinas de
ensayos blandas) o una deformación (máquina de ensayos duras) a
probetas, a una muy baja velocidad de aplicación de la carga o de
deformación (0,5 mm/min), e ir adquiriendo el valor de la carga
mediante una celda de carga y la deformación absoluta con un
extensómetro mecánico o eléctrico/electrónico. Se obtiene el
diagrama de carga vs deformación que luego es convertido al
diagrama Tensión vs Deformación específica, para ello se considera
que el área de la sección de ensayo no varía durante este (A=cte) y
se debe tener en cuenta la longitud inicial de la zona de medición
de la deformación comúnmente llamado lo.
Moderna máquina de ensayos
Las máquinas actuales convierten directamente un diagrama a otro.
Obtenido el diagrama tensión vs deformación específica podemos
comparar los materiales, utilizar los valores que se obtienen de
ellos para diseñar las piezas, evaluar cual es mas apropiado para,
por ejemplo, absorber energía o bien soportar mejor impactos,
etc.
Máquina de ensayos (de tipo blanda) donde se aplica carga
controlada por medio de un pistón hidráulico.
A continuación se presenta un diagrama clásico de tensión vs
deformación específica de un acero con bajo contenido de carbono
(por ejemplo SAE 1020 sin TT).
M
R
Zona elástica
Del gráfico anterior se pueden distinguir ciertos valores de
tensión que son utilizados en el diseño pero, además, el gráfico da
mas información para la elección de un material. El área encerrada
bajo la curva en el régimen elástico (zona amarilla) nos informa
sobre la energía que el material puede absorber en el régimen
elástico (resiliencia). El área total (parte elástica y plástica)
nos habla de la capacidad total de absorber energía que tiene el
material, esto se denomina tenacidad.
Las tensiones Tensión elástica Tensión proporcional Tensión de
fluencia Tensión 0,2 Tensión máxima Tensión de rotura
A continuación se presenta un esquema de una placa de material y
una tabla de valores de tensiones y otras propiedades obtenida del
MIL-HDBK-5H
53,5 51
39
En el siguiente cuadro se observa la variación de la tensión ultima
y de la tensión 0,2 (fluencia) de la aleación 7075 T6.
MATERIALES Dos grandes grupos: Metálicos y No metálicos
Metálicos: Aceros (aleaciones base hierro-carbono), Aceros
aleados,
Aleaciones no ferrosas (aleaciones de aluminio, de titanio, de
magnesio).
No Metálicos: Plásticos (termorrígidos, termoplásticos, etc),
Materiales compuestos (clásicamente refuerzos embebidos en una
resina termorrígida), Maderas.
Metálicos Aceros Hierro aleado con el carbono (%C no mayor a 2), y,
eventualmente, con
otros metales. Con el aumento del % de Carbono se tienen:
Ventajas: aumento de la resistencia mecánica (tracción, torsión,
compresión, dureza)
Desventajas: disminuye la ductilidad, la resistencia a la corrosión
y las cualidades para ser soldado.
Clasificación de los Aceros AISI (American Iron and Steel
Institute) ó SAE (Society of Automotive
Engineer). Son clasificaciones equivalentes. Rangos en %C: entre
0,15 y 0,30, aceros bajo de carbono mayor de 0,30 y hasta 0,5,
aceros de medio carbono mayor de 0,50 y hasta 0,9 aceros de alto
carbono Nomenclatura: N 1 N2 X X
% C (es un rango de valores)
Principal aleante en %
Designa si es un acero al C o un acero aleado
Aceros al Carbono N1: el 1 designa a los aceros al carbono, otro
numero es un acero
aleado con otro u otros metales. N2: 0 (acero al carbono), 1 acero
al carbono resulfurizado (contenido de S oscila entre 0,08 - 0,13
%), 2 acero al carbono resulfurizado (contenido de S 0,24 - 0,33 %)
y refosforado, 3 acero al manganeso (1,75%) y 5 con manganeso entre
1 y 1,65%. Ejemplo: N2= 3 (al manganeso hasta 1,75%), SAE 1330
Aceros al carbono en estructuras reticuladas aeronáuticas
(antiguamente usadas en fuselajes, bancada de motores) no superan
el 0.30% de C y nunca es inferior al 0.20%. Más C mayor fragilidad,
problemas con la soldadura (se dificulta) y se produce el temple de
la zona próxima a ella (zona afectada por el calor ZAC, ZAT o HAZ
en Inglés).
Aceros al Carbono Aceros al carbono con mas de 0.30% C hasta 0.90%
C se utilizan en la fabricación de herrajes, terminales de comando,
flex plate (acoples flexibles), resortes entre otros
componentes.
Tratamiento térmico de los aceros Consiste en calentar el acero
hasta ciertas temperaturas y luego
producir el enfriamiento rápido o lento dependiendo de las
características mecánicas que se pretendan obtener.
Los comúnmente utilizado en aeronáuticos son: Normalizado: se
calienta el material por encima de la temperatura
crítica, se produce la total transformación de la austenita. Se
logran estructuras cristalinas (grano) uniformes (perlita fina)
cuando el material es enfriado en aire calmo hasta la temperatura
ambiente. Aceros tenaces, proceso previo al templado (caso de los
tubos estructuras de aeronaves SAE 4130).
Templado y Revenido: se calienta el material hasta un rango
crítico de temperaturas (depende del % de C). Transformación de la
estructura (la perlita pasa a austenita). Enfriamiento rápido
(agua, aceite, etc) obteniéndose un grano pequeño y fino
(martensita). Estructuras de granos frágiles, se les realiza un
proceso de revenido recuperando ductilidad, tenacidad y resistencia
a impactos (disminución de la dureza).
En la fotografía anterior se observa la microestructura de ferrita-
perlita, que se corresponde con la estructura típica de un
tratamiento térmico normalizado de un acero aleado de baja aleación
del tipo AISI-SAE 4130.
Aceros aleados
Es un acero (Fe-C) aleado con uno o más metales. El producto final
es un material con mejoras mecánicas respecto al acero al
carbono.
En la tabla anterior se ha marcado los acero aleados mas
utilizados. Algunas aplicaciones en partes y estructuras: SAE 1020
– 1025:Estructuras tubulares de fuselajes (J-3, PA-11,
otros) y bancadas de motores. Buena resistencia mecánica, proceso
de soldadura oxiacetilénica con excelentes resultados, problemas de
corrosión, necesidad de protección anticorrosiva.
SAE 1030 – 1045: Ejes, bieletas, terminales de comando,
herrajes
(clevis fork y rod end). El material se utiliza en barras, forjado.
Buenas a muy buenas resistencias mecánicas sin tratamientos
térmicos. Problemas de corrosión, procesos de protección
anticorrosivo.
SAE 4037: Bulones AN (hoy no es el material mas común para
este tipo de elementos). Material sin tratamiento térmico, alta
resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas
cíclicas.
SAE 4130: Uno de los aceros mas utilizados en estructuras
aeronáuticas (bancadas, fuselajes). Se lo utiliza con y sin
tratamientos térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad,
buena resistencia a cargas cíclicas, buenas características para
ser soldados. Cumple MIL-T-6736B
SAE 4340: Utilizados para la fabricación de ejes con grandes
solicitaciones mecánicas. Con y sin tratamientos térmicos tiene muy
buenas propiedades mecánicas, gran tenacidad, buena resistencia a
cargas cíclicas.
SAE 8740: Bulones AN, NAS, ejes. Material con tratamiento
térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena
resistencia a cargas cíclicas.
SAE 8620: Coronas y piñones de cajas de transmisión de
helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con
este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle
tratamiento de endurecimiento superficial de carburizado.
SAE 9315: Coronas y piñones de cajas de transmisiones de
helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con
este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle
tratamiento de endurecimiento superficial, el proceso es semejante
a los comúnmente utilizados pero posee una etapa de enfriamiento
criogénica.
Cr. Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en
la
austenita aumenta también la templabilidad. En aceros de alto
contenido de carbono (por encima de 0,50%C), aumenta la resistencia
a la abrasión y al desgaste.
Mo. Después del carbono es el que provee alta dureza y alto
grado de tenacidad. Es un fuerte formador de carburos y aumenta
fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia
mecánica de los aceros a altas temperaturas.
Ní. Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta
la
templabilidad de ellos. Se pueden obtener aceros resistentes con
menor contenido de carbono, incrementándose la tenacidad y la
resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a
la corrosión.
Mn. Usado para desoxidar y desulfurar. El manganeso, que no
se
combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero. Más
del 1% de Mn en el acero se clasifica como un acero aleado al
manganeso (como vimos).
Si. Se agrega como desoxidante. Junto con manganeso, cromo y
vanadio, estabilizan carburos. El contenido en silicio debe ser
menor o igual al 0,2% en aceros que se van a soldar, el sílice
tiene un punto de fusión muy alto. En aceros obtenidos por moldeo
puede ser de hasta 0,3%, le da al acero fundido fluidez.
V. Refinador del tamaño de grano, también aumenta la
tenacidad
del acero. Utilizado ampliamente en aceros para herramientas.
95000 PSI 655 Mpa 75000 PSI 517 Mpa
Templado y revenido 713 Mpa 609 Mpa
Deformación 10% Porcentual
min a rotura
Deformación 22% Porcentual
Aluminio
No se encuentra en la naturaleza como tal sino como un óxido, como
todos los metales. A partir de procesar la bauxita (óxido),
procedente de rocas silicatoaluminicas, se logra el aluminio
puro.
Ventajas: muy maleable, alta capacidad de conducir el calor y la
electricidad, muy reflectivo, resistente a la corrosión, de baja
densidad si se la compara con el acero (aprox. 1/3 de la densidad
del acero)
Desventajas: del punto de vista de su resistencia no debe ser
aplicado en estructuras ni componentes mecánicos por su muy baja
resistencia mecánica. Solamente puede aumentar su resistencia por
deformación (se logra el doble aproximadamente) y no adquiera
resistencia por tratamientos térmicos.
Aleaciones de aluminio
La metodología utilizada para mejorar la resistencia del aluminio,
incrementándola bastante sin reducir demasiado otras propiedades
deseables tales como la ductilidad y la densidad, es aleándolo con
uno o más metales y/o metaloides.
Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio
puro
se dividen en dos clases: las que pueden ser endurecidas por
trabajo en frío (deformación
a temperatura ambiente). las que responden tanto al endurecimiento
por trabajo en frío y
tratamientos térmicos o a ambos por separado.
Clasificación del aluminio y sus aleaciones • Aluminio puro y sus
aleaciones (productos no fundidos) se
designan de acuerdo a ANSI (American Nacional Standard Institute)
H35.1.
• Aleaciones fundidas se codifican de acuerdo a ASTM B275.
Estas designaciones son internacionales aunque hay países que
poseen su propia designación equivalente.
Elemento de mayor porcentaje Designación Tratamiento térmico
Aluminio Puro 1xxx No tratable Cobre 2xxx Tratable Manganeso 3xxx
No tratable Silicio 4xxx No tratable Magnesio 5xxx No tratable
Magnesio y Silicio 6xxx Tratable Zinc 7xxx Tratable Otras
aleaciones 8xxx --------------------------- Serie reservada 9xxx
---------------------------
Nomenclatura: Aluminio puro (no aleado) A 1 A2 X X Ejemplo: 1050 se
interpreta como un aluminio de 99,50% de pureza,
sin especial control de impurezas
Se reserva el 1 para Al puro (99% de pureza), los números
siguientes definen el principal aleante.
Este valor varía entre 0 y 9, es el control de impurezas que se le
realiza.
Mínimo porcentaje de aluminio en centésimas.
Aluminio aleado A 1 A2 X X Ejemplo: 2024 (aleación original dentro
de la serie) se interpreta
como una aleación de aluminio cuyo principal aleante es el
Cu.
los 2 al 9 definen el principal aleante.
de 0 a 9, cero se trata de la aleación original. Los números del 1
al 9 son consecutivamente indicando las modificaciones de la
aleación
últimas dos cifras sirven para identificar las diferencias de las
aleaciones en el grupo.
Como se menciono los elementos aleantes del aluminio proporcionan
ciertas ventajas y desventajas. A continuación se enumeran
estas.
Cromo (Cr). Aumenta la resistencia mecánica cuando está
combinado
con otros elementos Cu, Mn, Mg.
Cobre (Cu). Incrementa las propiedades mecánicas pero reduce la
resistencia a la corrosión.
Hierro (Fe). Incrementa la resistencia mecánica.
Magnesio (Mg). Produce alta resistencia tras el conformado en
frío.
Manganeso (Mn). Incrementa las propiedades mecánicas y mejora la
calidad de conformación por deformación (aleación 3XXX son
utilizadas en productos para almacenar líquidos, etc)
Silicio (Si). Combinado con magnesio (Mg), logra mayor resistencia
mecánica.
Titanio (Ti). Aumenta la resistencia mecánica.
Zinc (Zn). Aumenta la resistencia a la corrosión.
Aleaciones de aluminio
• Serie 2xxx: El cobre es, como se dijo, el principal aleante y se
encuentra en la aleación con valores comprendidos entre el 1,9 y el
6,8%, clásicamente 4,5%. Tratamiento de solución y templado
(enfriamiento rápido, minimiza formación de CuAl2, fase θ) dan
temples inestables. Luego envejecimiento artificial o
envejecimiento por precipitación, para obtener temples estables y
las máximas propiedades mecánicas mediante tratamiento.
Aleación Al-Cu (4,5%) Serie 2xxx: El proceso de enfriado lento
precipita, en el borde de grano, aleación
CuAl2 (-) y en las zonas próximas hay menos Cu (Al mas puro +) que
en el resto de la aleación. Diferencia de potencial electroquímica,
corrosión intergranular ante la presencia de un electrolito.
Envejecimiento artificial: se refina la estructura con lo que se
logra
mejorar las propiedades mecánicas y disminuir la corrosión
intergranular, una vez que empieza no se puede detener.
Cladding: proceso de deposición de una fina capa de aluminio puro o
de la serie 6xxx sobre el aluminio aleado. Minimiza el contacto del
electrolito con el aluminio aleado. Espesores máximos del 5,5% del
espesor del material base.
Ejemplo: 2024 T3 ALCLAD, indica que es una aleación al Cu, con un
envejecimiento natural (precipitado a temperatura ambiente),
estirado en frío y cladding.
Aplicaciones: muy buenas propiedades mecánicas. Intradós de
alas
de aviones de transporte, estructura de fuselajes semimonocasco,
cuadernas, costillas, largueros, bulones, entre otras.
Serie 6xxx: aluminio aleado con silicio y magnesio en proporciones
tales de obtener silicato de magnesio, tratable térmicamente.
Resistencias mecánicas mejoran con los TT.
Aleación 6061 Tratamiento térmico de solución y envejecido natural
(T4) y hasta
un tratamiento térmico de solución con envejecimiento artificial
(T6). Resistencias mecánicas menores comparadas con las de
aleaciones series 2000 o 7000, posee buena resistencia a la
corrosión (no presenta corrosión intergranular) y buenas
características para el mecanizado de partes.
Aplicaciones: utilizada en aeronáutica (particularmente en la
experimental), estructuras de alas y fuselajes, piezas mecanizadas,
etc. Placas, chapas, tubos conformados sin costura, etc.
Serie 7xxx: Zinc es el elemento aleante más importante y cuando
se
le agrega una pequeña cantidad de magnesio resulta tratable
térmicamente lográndose muy alta resistencia mecánica. A estas
aleaciones suelen agregárseles cobre y cromo en pequeñas cantidades
con el fin de mejorar sus características mecánicas. Como las
aleaciones anteriormente mencionadas precipita a temperatura
ambiente.
7050 – Zn/Mg= 2,81 7075 – Zn/Mg= 2,24 7150 – Zn/Mg= 2,67 Aleación
7075: Aleación más conocida y utilizada de la serie en aeronáutica.
Esta tiene alta resistencia mecánica, muy buenas propiedades
mecánicas a la fatiga. Tratamientos térmicos de solución y
envejecido artificialmente (T6) para mejorara las propiedades
mecánicas. Presenta corrosión bajo tensión en presencia de vapor de
agua, cloruro de sodio, oxigeno atómico.
Aplicaciones: utilizada en aeronáutica en elementos estructurales
sometidos a altas solicitaciones como estructuras de fuselaje,
recubrimiento (extradós) de alas, etc.
Serie 5xxx: Elemento dominante el magnesio, no TT, buenas
propiedades mecánicas y de soldabilidad. Se mejoran las propiedades
mecánicas por deformación.
Aleación 5052: Poca aplicación aeronáutica, se suele utilizar en la
fabricación de
tanques de combustible. Resistente a la corrosión pero sufre
corrosión bajo tensión semejante a 7075.
Tratamientos térmicos de las aleaciones de aluminio
Procesos térmicos que aumentan la resistencia de ciertas aleaciones
de aluminio. Tratamiento térmico de solución + templado, posterior
envejecimiento natural o artificial
En los materiales no fundidos se utiliza la siguiente nomenclatura:
W: tratamiento de solución + templado (temples inestables) T:
tratamiento térmico (templado), proceso complementario al W
(se obtienen temples estables) A temples estables ¨ T ¨, se agregan
números que identifican si fue
un proceso natural, artificial, o cualquiera de ellos combinado con
un proceso mecánico como estirado en frio. Los números que se
agregan van del 1 al 10.
Ejemplo: 2024 T3, aleación al Cu, con un envejecimiento
natural
(precipitado a temperatura ambiente) y estirado en frío
Temples utilizados en productos de extrusión y laminados (perfiles,
chapas, etc) de uso aeronáutico: T3 y el T6, eventualmente
T4.
T3: W, trabajado en frío y envejecimiento natural. Con estirado
se
obtiene el límite de las propiedades mecánicas. T4: W y
envejecimiento natural. T6: W, temple y luego envejecido
artificialmente (control de la
temperatura). Aleaciones no tratables térmicamente Al, Al-Mn y el
Al-Mg endurecen por deformación en frío (H).
Eventual recocido parcial o estabilización (ablandamiento),
minimiza tensiones. Los estados de deformación en frío se indican
por:
H1x: sin recocido H2x: parcialmente recocido H3x: estabilizado
(temperatura relativamente baja respecto del
recocido). Se logran menores resistencias mecánicas y se gana
ductilidad.
Segundo dígito (x): grado final de endurecimiento. Recocido (0)
sería el grado más bajo de dureza mientras que (8) es totalmente
endurecido.
2 – 1/4 duro 4 – ½ duro 6 – ¾ duro 8 –totalmente duro
Ejemplo: chapa de aleación de aluminio 5052 H32 (serie 5xxx
Al-
Mg) se definiría como un material endurecido por deformación,
estabilizado hasta lograr una dureza final ¼ duro. La dureza se
relaciona con la tensión máxima del material
Titanio y sus aleaciones Titanio Es el cuarto elemento más
abundante en la corteza terrestre. Los principales yacimientos se
encuentran en Rusia. Nunca se presenta en estado elemental en la
naturaleza debido a su alta reactividad, se encuentra en forma de
óxidos como: rutilo (TiO2 óxido de titanio) e ilmenita (FeTiO3),
menas desde las que inicia el proceso de extracción de titanio
elemental. La elevada estabilidad de los óxidos de titanio limita
las alternativas para reducirlo por lo que actualmente el proceso
Kroll es el más utilizado para su producción a pesar de su alto
costo económico. El titanio elemental obtenido por este proceso
partiendo del mineral rutilo (TiO2) o ilmenita (FeTiO3),
relativamente impuros, es poroso y con apariencia de esponja, por
lo que se le denomina ‘titanio esponja’. La obtención de titanio
mediante el proceso Kroll se realiza en las siguientes
etapas:
o Cloración del óxido para producir TiCl4 (tetracloruro de
titanio). o Destilación del TiCl4 para purificarlo. o Reducción del
TiCl4 con Mg (reacción del TiCl4 con magnesio
fundido en atmósfera inerte) para producir titanio metálico. o
Purificación del titanio metálico (esponja) para eliminar los
productos secundarios. o Troceado de la esponja de titanio para
reducir su tamaño. o Fundido, en horno voltaico al vacío, de la
esponja metálica para
obtener lingotes de titanio puro. El cuadro siguiente muestra el
proceso a partir de la Ilmenita.
Densidad es de aproximadamente 4.4g/cc, el valor de la densidad del
titanio aleado no varía significativamente respecto al puro. Es un
material paramagnético como el aluminio. Estructura cristalina
hexagonal compacta a temperatura ambiente, llamada alfa. Esta se
transforma a beta, cubica centrada en el cuerpo, al someterlo a 882
ºC.
Ventajas de la fase alfa: Es dúctil y maleable lo cual permite
fabricar láminas
delgadas. Puro o aleado posee excelente resistencia a la corrosión
hasta
aproximadamente los 540ºC.
Material con alta afinidad con gases (H, N y O) forma soluciones
sólidas intersticiales de gran resistencia mejorando las
características mecánicas.
Densidad intermedia entre el acero y el aluminio y sus
aleaciones. Elevado punto de fusión del orden de los 1670ºC. Tanto
puro como aleado puede ser soldado mediante técnicas
con atmósfera controlada o inerte.
Desventajas:
Relativamente costoso obtenerlo como se mencionó Baja capacidad de
conducir el calor y la electricidad. Esto puede ser
una ventaja si se lo utiliza como aislante (caso de aislación de
contactos térmicos en satélites, parallamas, etc).
Del punto de vista de su resistencia, en fase alfa, no debe
ser
aplicado en estructuras ni componentes por su baja resistencia
mecánica específica.
Demanda control de cantidad de gases absorbidos (H, N y O), si
se
exceden los límites especificados, ocurre la fragilidad del
titanio. Aplicaciones: Se lo utiliza en tubería para procesos
químicos, válvulas y tanques, parallamas (o paredes cortafuegos) de
aeronaves, tubos de escape, entre otras.
En la tabla siguiente se comparan dos aleaciones de aluminio con
titanio en fase alfa (Gr 2), los valores típicos de resistencia
corresponden a temperatura ambiente de laboratorio, aproximadamente
23ºC.
Ejemplo De la tabla se concluye que en aplicaciones aeronáuticas y
espaciales el titanio en fase alfa no se aplica, una aleación como
la 6061 T6 es más apropiada. Solo podría aplicarse en condiciones
de altas temperaturas donde las aleaciones de aluminio no pueden
trabajar dado que reducen de manera substancial sus propiedades
mecánicas. Titanio Aleado Agregar aleantes al titanio cambia la
temperatura de transformación de alfa a beta. Estos elementos se
los denomina estabilizadores alfa o beta. Un estabilizador alfa
hace que la temperatura de transformación de alfa a beta (beta
transus) sea elevada; asimismo, un estabilizador beta disminuye la
temperatura de transformación.
Densidad aparente (referida al agua)
Tensión 0,2 Mpa
Tensión 0,2 específica Mpa
6061 T6 2,70 275 101,9 7075 T6 2,81 372 132,4 Titanio
alfa 4,4 279 63,4
4,4
279
63,4
Tipos de estabilizadores El aluminio, O, N, C son estabilizadores
alfa. El cromo, molibdeno, vanadio, magnesio, hierro y otros
metales son importantes estabilizadores beta. Las aleaciones Ti-Mo
y Ti-V muestran completa solubilidad sólida, formando la solución
(sólida) beta sobre todo el intervalo. El campo de fase alfa es
severamente restringido, con su máxima extensión de 1.8 % de Mo y
3.5 % de V.
Las relativas cantidades de estabilizadores alfa y beta en una
aleación, además del tratamiento térmico, determinan si su
microestructura es predominantemente alfa unifásica, una mezcla de
alfa y beta, o la fase única beta.
Aleaciones Contienen normalmente un 5% de aluminio y 2.5% de
estaño, ambos estabilizadores de la fase α y endurecedores por
solución sólida. Hemos mencionado algunas desventajas de esta fase
anteriormente, además de ello podemos agregar que no son tratables
térmicamente para endurecerlas. Sí se aplica el tratamiento de
recocido a elevadas temperaturas en la zona β, enfriándose
posteriormente (lenta o rápidamente) dependiendo el tipo de grano
que se quiera obtener y alivianando tensiones. Este tipo de
aleaciones no se utilizan en la fabricación de piezas estructurales
de aeronaves.
Aleaciones α + β Poseen resistencias mecánicas media a alta y la
mayoría de ellas son fáciles de soldar. Estas aleaciones contienen
suficientes elementos estabilizadores β para provocar que la fase β
persista hasta la temperatura ambiente, son más duras que las
aleaciones α.
Aleaciones α + β Tratamiento termoquímico de nitruración,
aleaciones α+β (titanio Grado 5), de amplia aplicación en
aeronáutica. Las piezas a tratar se colocan en una cámara al vacío,
sometidas a una temperatura de 500 °C, inyectándose nitrógeno que
reacciona con iones de titanio formando nitruro de titanio (Ti2N),
espesor de 2-3 mm. Se produce una capa de revestimiento lisa y
homogénea (presentando al final del proceso un color dorado).
Incrementos de la dureza superficial hasta un 500% respecto al
material no tratado. Dureza superficial obtenida puede aumentar
hasta 35 HRC (Rockwell) (326 Brinell). A las muy buenas propiedades
mecánicas de esta aleación por la acción de este tratamiento se
logra aumentar substancialmente la resistencia a la abrasión
A título de comparación una aleación de aluminio 6061 T6 posee una
dureza de 95 Brinell, muy por debajo de la mencionada. La aleación
típica de uso en aeronáutica es una aleación α + β (6% aluminio, 4%
vanadio), denominado Ti6Al4V (grado 5) la cual se utiliza para
fabricar discos de compresores de turbinas, materiales forjados
para estructuras de avión, trenes de aterrizaje, ejes, etc.
Aleaciones β Estabilizadores, molibdeno o vanadio. Se produce una
estructura enteramente beta a temperatura ambiente. Ninguna
aleación beta está aleada hasta los extremos mencionados (1,8%Mo y
3,5%V), en su lugar se combinan estos estabilizadores de modo que
ante el enfriamiento rápido se produce una estructura β metaestable
(se encuentra en equilibrio aparente pero puede cambiar a un estado
más estable). Estas aleaciones, por lo tanto, pueden ser tratadas
térmicamente (endurecimiento por precipitación) con los que se
consigue aumentar su resistencia. Aplicaciones: remaches de alta
resistencia, largueros, recubrimientos y otros elementos
estructurales para uso aeroespacial.
Pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La
aleación se solubiliza cerca de la temperatura de transformación en
fase β como se observa en la siguiente figura, lo que permite que
todavía quede cierta cantidad de fase α para evitar el crecimiento
de grano.
Después, la aleación se enfría rápidamente para formar una solución
sólida sobresaturada metaestable β' o martensita de titanio α'.
Posteriormente, la aleación es envejecida o revenida alrededor de
500°C. Durante el envejecimiento, las fases α y β anteriores al
enfriamiento y los precipitados de las fases β' o α' aumentan
considerablemente la resistencia de la aleación.
Otra aleación de titanio (de fase β) es la que se utilizó en la
fabricación de partes de la estructura (recubrimientos, cuadernas,
etc) del avión de reconocimiento estratégico SR 71 Blackbird el
cual entró en servicio en la década del 60 (1966-1991). El 85% de
este avión estaba fabricado con aleaciones β (Ti13V11Cr3Mo). Esta
aleación tardó bastante tiempo en ser introducida en algunas
aeronaves comerciales como el Boeing 757 debido a su alto
costo.
Otras aplicaciones aeronáuticas
Clasificación del titanio puro y sus aleaciones Se clasifican bajo
norma ASTM B 381-05 (Standard specification for Titanium and
Titanium Alloy Forgings) designación simbólica Ti6Al4V, esta
aleación según ASTM B 381-05 sería un Grado 5. El titanio
comercialmente puro (CP grados 1 a 4) tiene una estructura alfa y
contiene pequeñas cantidades de elementos “intersticiales”
(nitrógeno, oxígeno, carbono). Se diferencian entre sí por el
contenido de oxígeno que aumenta del grado 1 al 4, confiriéndole
una creciente resistencia mecánica. No se aplica en componentes de
uso aeronáutico por su baja resistencia mecánica. Las aleaciones de
titanio, como vimos, se clasifican según su estructura en
“aleaciones alfa” (grados 6,7,11), “aleaciones alfa-beta” (grado 5,
9) y “aleaciones beta”. Algunas están diseñadas para mejorar la
resistencia a la corrosión (grados 7 y 11 las cuales contienen
paladio) y otras para mejorar su resistencia mecánica por
tratamiento termoquímico (grado 5 contiene aluminio y
vanadio).
El Titanio y sus aleaciones se pueden clasificar según su propósito
en: RESISTENTES A LA CORROSIÓN CP-1, CP-2, CP-3, CP-4, Ti-Pd Grado7
& 16, Ti-3Al-2.5V Grado9 & 18, entre otros. ALTA
RESISTENCIA Ti-6Al-4V (Gr 5), Ti-5Al-2.5Sn (Gr 6), Ti-2.5Cu,
Ti-6Al-7Nb, Ti-4Al-4Mo- 2Sn, Ti-6Al-6V-2Sn, entre otros.
RESISTENTES A ALTA TEMPERATURA Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo,
Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo, Ti-11Sn-5Zr-2.5Al-1Mo entre otros.
A continuación de presenta una gráfica comparativa (Tensión limite
elástico) entre diferentes aleaciones de titanio.
No metálicos Material compuesto: unión de dos o más materiales
disímiles. En
general se entiende como material compuesto a la unión entre un
tipo de fibra embebida en una matriz polimérica.
Existen materiales compuesto con matriz metálica y no metálica y
fibras (compuesto C-C, frenos aviones, toberas de cohetes).
Maderas Material compuesto natural. Combinación fibras huecas de
celulosa unidas con lignina. Son materiales que presentan
resistencias semejantes en dos
direcciones y muy distinta en una tercera, se los llama materiales
anisotropicos y, en este caso, particularmente ortotrópicos.
Maderas utilizadas en estructuras aeronáuticas: Maderas blandas
macizas: varios tipos de pinos (Spruce Sticka,
Oregon, Hemlock, Haya, etc). Ventajas: densidades bajas, buenas
resistencias mecánicas y
elasticidad, alta resistencia a la fatiga (cargas cíclicas),
reciclable, buena resistencia a impactos, naturalmente es un diseño
fail safe.
Desventajas: susceptibles de ser atacada por insectos y
microorganismos, higroscópica (cambio en sus propiedades mecánicas
con la humedad), inflamable.
Maderas duras: no se utilizan en estructuras si en la fabricación
de
la raíz de hélices de algunas aeronaves.
Condiciones físicas para la aplicación en componentes
estructurales
HR no inferior al 8% y no superior a 15% (zonas húmedas se admite
18%)
La desviación de la veta no debe ser superior a 1/15 respecto al
eje del larguero
Son aceptables nodos hasta 3/8¨ (9,52 mm) de diámetro siempre que
no estén ubicados en los flancos de los largueros, a nos mas de 20¨
(508 mm) uno de otro, y estén en el tercio central de la
viga.
Maderas terciadas (laminados): combinación de láminas delgadas
de
maderas blandas con el fin de tener características mecánicas
semejantes en todas direcciones o en direcciones
preferenciales.
EFECTO DE LA CONTRACCIÓN EN EL PROCESO DE SECADO DE LA MADERA
Materiales compuestos, resinas y refuerzos (fibras), utilizados en
estructuras aeronáuticas:
Definición: material formado por fibras embebidas en una matriz.
Materiales denominados anisotropicos: sus propiedades
mecánicas,
eléctricas, térmicas, varían con la dirección (pésimos conductores
eléctricos y térmicos).
Industria aeronáutica Resinas: son del tipo termorrígidas como las
resinas epoxi,
vinilesteres y fenólicas. Fibras: Vidrio S, Carbono (alto y bajo
módulo) y Kevlar (aramida) Función de la resina: matriz que une las
fibras, se encargada de
transmitir los esfuerzos entre las fibras y protegerlas del medio.
Función de las fibras: son los refuerzos que soportan
principalmente las cargas actuantes (más rígida y resistente que la
matriz).
Fibras
multi direccional) dado que se requieren alta rigideces y
resistencia.
Procesos de fabricación: dependerán del material seleccionado
para
la matriz y el tipo de aplicación.
Procesos típicos de fabricación:
1) Sacos de vacío + autoclave (uso en aeronáutico y espacial) 2)
Bobinado (filament winding) (uso aeronáutico y espacial) 3) RTM
(Resin Transfer Moulding) (uso aeronáutico y espacial) 4) Braiding
5) Pultrusión (Pultruded)
Matriz Termorrígida
(curado) Termoplástica
Características
• Baja cantidad de cavidades (vacíos) en la pieza conformada • Alto
volumen de fibras • Requiere bolsa de vacío
Aplicaciones • Piezas de bajo espesor • Piezas de formas complejas
(planos con curvatura por ejemplo)
Etapas del proceso • Corte de las telas • Laminación • Bolsa de
vacío • Cura en autoclave • Desmolde
Materias primas • Pre impregnados (Prepeg) • Fibras
unidireccionales • Tejidos
Tipo de fibras • Carbono • Vidrio S • Aramida (Kevlar)
Moldes • Metálicos 1) Mayor durabilidad 2) Capacidad térmica 3)
Alto costo 4) Proceso de fabricación por maquinado • Compuesto: 1)
Baja durabilidad 2) Aplicado a geometrías no muy complejas 3) Son
de baja capacidad térmica (muy baja conductividad) 4) Proceso de
fabricación por moldeo 5) Piezas de menor responsabilidad
Ventajas 1) Baja porosidad del compuesto 2) Control estricto de la
relación Fibra/Resina 3) Herramientas simples 4) Variables ciclos
de curado
Desventajas 1) Prepeg tiene un alto costo 2) Mucho desperdicio de
material 3) Sala de laminación climatizada 4) Solo se consigue una
sola superficie con buen acabado 5) Elevado consumo de energía (por
mantenimiento del prepeg en
cámaras y por uso de autoclave).
Bobinado
Características
• Baja cantidad de cavidades (vacíos) en la pieza conformada • Buen
control del posicionamiento de las fibras • Buen aprovechamiento
del material • Es posible realizar uniones
Aplicaciones • Piezas axisimétricas: recipientes de presión,
tanques, conductos, entre otros
Etapas del proceso y control de parámetros
• Viscosidad de la resina • Eliminación de exceso de resina •
Tensión de la fibra • Velocidad de bobinado • Posicionamiento de la
fibra (mediante control numérico)
Materias primas • Resina epoxi • Resina Fenólicas • Resina
Poliéster
Tipo de fibras • Carbono • Vidrio E y S • Aramida (Kevlar)
Ventajas 1) Piezas grandes y pequeñas 2) Control del
posicionamiento de la fibra 3) Excelente aprovechamiento del
material 4) Uso de liners en recipientes a presión
Desventajas 1) Limitado a formas simétricas o axisimétricas 2)
Control malo del contenido de resina 3) Requiere de control
operacional (programación, parámetros de
procesos, etc)
Características
• Preforma de las piezas en moldes cerrados • Buen control del
posicionamiento de las fibras • Buen aprovechamiento del material •
Buen acabado de ambas superficies (RTM fundamentalmente)
Aplicaciones • Piezas donde los lotes son grandes • Piezas de
geometrías complejas
Etapas del proceso • Preparación de la preforma por braiding o
laminación manual (en seco)
• Moldeo de la preforma • Impregnación: uso de vacío, inyección de
resina de baja viscosidad y curado (molde con temperatura)
Materias primas
• Tejidos uni, bi o multidireccionales • Bolsas de vacío • Peel Ply
• Mantas absorbentes • Mantas perforadas • Cintas selladoras
Tipo de fibras • Carbono • Vidrio E y S • Aramida (Kevlar)
Control de procesos • Velocidad de la resina • Control de
viscosidad (alta viscosidad mayor presión,
deformación de moldes)
Ventajas 1) Alta tasa de producción 2) Control del posicionamiento
de la fibra 3) Piezas grandes y pequeñas 4) Buen acabado de ambas
superficies 5) Piezas de forma complejas
Desventajas 1) Costo elevado de los moldes 2) Viable cuando la
producción es elevada
MATERIALES AERONÁUTICOS
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Efecto de la contracción en el proceso de secado de la madera
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