Los metales ligeros y sus aleaciones son materiales de densidad relativamente baja y relaciones de resistencia a peso elevadas. Estos metales y aleaciones son de gran importancia en aplicaciones de ingeniería para uso en transporte terrestre, marítimo, aéreo y espacial. El magnesio, el aluminio y el titanio son metales ligeros de gran importancia comercial. Estos tres metales y sus aleaciones comprenden la mayor parte de los materiales metálicos de alta relación resistencia / peso utilizados en los sistemas industriales. El aluminio es el más versátil de estos materiales y el titanio es el más resistente a la corrosión con una resistencia muy alta, mientras que el magnesio tiene la densidad más baja. Sus densidades de 1,7 (magnesio), 2,7 (aluminio) y 4,5 g/cm3 (titanio) oscilan entre el 19 y el 56% de las densidades de los metales estructurales más antiguos, hierro (7,9 g/cm3) y cobre (8,9 g/cm3). Los metales comúnmente clasificados como metales ligeros son aquellos cuya densidad es menor que la densidad del acero (7,8 g/cm3, o 0,28 lb/in.3).
Dado que estos metales puros suelen ser materiales más blandos con resistencia insuficiente, deben alearse para alcanzar las propiedades mecánicas objetivo. Por ejemplo, el aluminio de alta pureza es un material blando con una resistencia máxima de aproximadamente 10 MPa, lo que limita su usabilidad en aplicaciones industriales. Por otro lado, la resistencia a la tracción de la aleación de aluminio 6061 puede alcanzar más de 290 MPa dependiendo del temple del material. Por lo tanto, estamos discutiendo principalmente las aleaciones en lugar de los metales puros.
Resistencia de aleaciones y metales ligeros
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 o deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
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 resistencia máxima a la tracción de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 280 MPa.
La máxima resistencia a la tracción de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1170 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 6061 depende en gran medida del temple del material, pero para el temple T6 es de unos 240 MPa.
El límite elástico de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 145 MPa.
El límite elástico de Ti-6Al-4V: la aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 1100 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 superado el límite elástico, una parte 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 6061 es de aproximadamente 69 GPa.
El módulo de Young de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 45 GPa.
El módulo de Young de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 114 GPa.
El módulo de Young es el módulo elástico 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 un esfuerzo limitante, 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 metales ligeros y aleaciones
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 dureza Brinell de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 70 HB.
La dureza Rockwell de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de aproximadamente 41 HRC.
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.
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