El aluminio de alta pureza es un material blando con una resistencia máxima de aproximadamente 10 MPa, lo que limita su facilidad de uso en aplicaciones industriales. El aluminio de pureza comercial (99-99,6%) se vuelve más duro y resistente debido a la presencia de impurezas, especialmente de Si y Fe. Pero cuando se alean, las aleaciones de aluminio son tratables térmicamente, lo que cambia significativamente sus propiedades mecánicas.
Las aleaciones de aluminio se basan en aluminio, en el que los principales elementos de aleación son Cu, Mn, Si, Mg, Mg + Si, Zn. Las composiciones de aleación de aluminio están registradas en The Aluminum Association. Las aleaciones de aluminio se dividen en 9 familias (Al1xxx a Al9xxx). Las diferentes familias de aleaciones y los principales elementos de aleación son:
- 1xxx: sin elementos de aleación
- 2xxx: cobre
- 3xxx: manganeso
- 4xxx: silicio
- 5xxx: magnesio
- 6xxx: magnesio y silicio
- 7xxx: zinc, magnesio y cobre
- 8xxx: otros elementos que no están cubiertos por otras series
También hay dos clasificaciones principales, a saber, aleaciones de fundición y aleaciones forjadas, las cuales se subdividen en las categorías tratables térmicamente y no tratables térmicamente. Las aleaciones de aluminio que contienen elementos de aleación con una solubilidad sólida limitada a temperatura ambiente y con una fuerte dependencia de la solubilidad del sólido con la temperatura (por ejemplo, Cu) pueden reforzarse mediante un tratamiento térmico adecuado (endurecimiento por precipitación). La resistencia de las aleaciones comerciales de Al tratadas térmicamente supera los 550 MPa.
Las propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio dependen en gran medida de su composición de fases y microestructura. Se puede lograr una alta resistencia, entre otras cosas, mediante la introducción de una fracción de gran volumen de partículas finas de segunda fase distribuidas homogéneamente y mediante un refinamiento del tamaño de grano. En general, las aleaciones de aluminio se caracterizan por una densidad relativamente baja (2,7 g/cm3 en comparación con 7,9 g/cm3 para acero), alta conductividad eléctrica y térmica y resistencia a la corrosión en algunos entornos comunes, incluida la atmósfera ambiental. La principal limitación del aluminio es su baja temperatura de fusión (660°C), que restringe la temperatura máxima a la que se puede utilizar. Para la producción general, las aleaciones de las series 5000 y 6000 proporcionan una resistencia adecuada combinada con una buena resistencia a la corrosión, alta tenacidad y facilidad de soldadura.
Propiedades de las aleaciones de aluminio
Las propiedades de los materiales son propiedades intensivas, lo que significa que son independientes de la cantidad de masa y pueden variar de un lugar a otro dentro del sistema en cualquier momento. La base de la ciencia de los materiales consiste en estudiar la estructura de los materiales y relacionarlos con sus propiedades (mecánicas, eléctricas, etc.). Una vez que un científico de materiales conoce esta correlación estructura-propiedad, puede pasar a estudiar el rendimiento relativo de un material en una aplicación determinada. Los principales determinantes de la estructura de un material y, por tanto, de sus propiedades son sus elementos químicos constituyentes y la forma en que se ha procesado hasta su forma final.
Propiedades mecánicas de las aleaciones de aluminio
Los materiales se eligen con frecuencia para diversas aplicaciones porque tienen combinaciones deseables de características mecánicas. Para aplicaciones estructurales, las propiedades de los materiales son cruciales y los ingenieros deben tenerlas en cuenta.
Resistencia de las aleaciones de aluminio
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
La resistencia máxima a la tracción de la aleación de aluminio 2024 depende en gran medida del temple del material, pero es de aproximadamente 450 MPa.
La resistencia máxima a la tracción de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 290 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Límite de elasticidad
El límite elástico de la aleación de aluminio 2024 depende en gran medida del temple del material, pero es de unos 300 MPa.
El límite elástico de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de unos 240 MPa.
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Módulo de Young
El módulo de Young de la aleación de aluminio 2024 es de aproximadamente 76 GPa.
El módulo de Young de la aleación de aluminio 6061 es de aproximadamente 69 GPa.
El módulo de Young es el módulo de elasticidad para es fuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.
Dureza de las aleaciones de aluminio
La dureza Brinell de la aleación de aluminio 2024 depende en gran medida del temple del material, pero es de aproximadamente 110 MPa.
La dureza Brinell de la aleación de aluminio 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de aproximadamente 95 MPa.
La prueba de dureza Rockwell es una de las pruebas de dureza por indentación más comunes, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. A diferencia de la prueba de Brinell, el probador Rockwell mide la profundidad de penetración de un penetrador bajo una carga grande (carga mayor) en comparación con la penetración realizada por una precarga (carga menor). La carga menor establece la posición cero. Se aplica la carga principal y luego se retira mientras se mantiene la carga menor. La diferencia entre la profundidad de penetración antes y después de la aplicación de la carga principal se utiliza para calcular el número de dureza Rockwell. Es decir, la profundidad de penetración y la dureza son inversamente proporcionales. La principal ventaja de la dureza Rockwell es su capacidad para mostrar los valores de dureza directamente. El resultado es un número adimensional anotado como HRA, HRB, HRC, etc., donde la última letra es la escala de Rockwell respectiva.
La prueba Rockwell C se realiza con un penetrador Brale (cono de diamante de 120°) y una carga mayor de 150 kg.
Propiedades térmicas de las aleaciones de aluminio
Las propiedades térmicas de los materiales se refieren a la respuesta de los materiales a los cambios de temperatura y a la aplicación de calor. A medida que un sólido absorbe energía en forma de calor, su temperatura aumenta y sus dimensiones aumentan. Pero los diferentes materiales reaccionan a la aplicación de calor de manera diferente.
La capacidad calorífica, la expansión térmica y la conductividad térmica son propiedades que a menudo son críticas en el uso práctico de sólidos.
Punto de fusión de las aleaciones de aluminio
El punto de fusión de la aleación de aluminio 2024 es de alrededor de 570°C.
El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.
En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio.
Conductividad térmica de las aleaciones de aluminio
La conductividad térmica de la aleación de aluminio 2024 es de 140 W/(mK).
La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica, k (o λ), medida en W/mK. Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción. Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T). Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.
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