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¿Qué son las aleaciones de magnesio? Definición

Las aleaciones de magnesio son mezclas de magnesio y otros metales de aleación. La característica más destacada de las aleaciones de magnesio es su densidad, 1,7 g/cm3, por lo que se utilizan donde el peso ligero es una consideración importante (por ejemplo, en componentes de aeronaves).

El magnesio puro es un sólido gris brillante que tiene un gran parecido físico con los otros cinco elementos de la segunda columna (grupo 2, o metales alcalinotérreos) de la tabla periódica.

Aleaciones de magnesioLas aleaciones de magnesio son mezclas de magnesio y otros metales de aleación, generalmente aluminio, zinc, silicio, manganeso, cobre y circonio. Dado que la característica más destacada del magnesio es su densidad, 1,7 g/cm3, sus aleaciones se utilizan donde el peso ligero es una consideración importante (por ejemplo, en componentes de aeronaves). El magnesio tiene el punto de fusión más bajo (923 K (1202°F)) de todos los metales alcalinotérreos. El magnesio puro tiene una estructura cristalina HCP, es relativamente blando y tiene un módulo de elasticidad bajo: 45 GPa. Las aleaciones de magnesio también tienen una estructura de celosía hexagonal, lo que afecta las propiedades fundamentales de estas aleaciones. A temperatura ambiente, el magnesio y sus aleaciones son difíciles de realizar un trabajo en frío debido al hecho de que la deformación plástica de la red hexagonal es más complicada que en metales enrejados cúbicos como el aluminio, el cobre y el acero. Por lo tanto, las aleaciones de magnesio se utilizan típicamente como aleaciones de fundición. A pesar de la naturaleza reactiva del polvo de magnesio puro, el magnesio metálico y sus aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión.

El aluminio es el elemento de aleación más común. El aluminio, zinc, circonio y torio promueven el endurecimiento por precipitación: el manganeso mejora la resistencia a la corrosión; y el estaño mejora la moldeabilidad.

Debemos agregar que el magnesio puro es altamente inflamable, especialmente cuando se pulveriza o se raspa en tiras delgadas, aunque es difícil de encender en masa o a granel. Produce una luz blanca intensa, brillante cuando arde. Las temperaturas de la llama del magnesio y algunas aleaciones de magnesio pueden alcanzar los 3100°C. El magnesio quemado o fundido reacciona violentamente con el agua. Una vez encendidos, estos incendios son difíciles de extinguir, porque la combustión continúa en nitrógeno (formando nitruro de magnesio), dióxido de carbono (formando óxido de magnesio y carbono) y agua. La quema de magnesio se puede apagar usando un extintor de incendios químico seco de Clase D. Su inflamabilidad se reduce en gran medida por una pequeña cantidad de calcio en la aleación.

aleación de magnesio

Usos de las aleaciones de magnesio – Aplicación

Aleaciones de magnesio
Ruedas de magnesio forjado

Las aleaciones de magnesio se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones estructurales y no estructurales. Las aplicaciones estructurales incluyen equipos automotrices, industriales, de manipulación de materiales, comerciales y aeroespaciales. Las aleaciones de magnesio se utilizan para piezas que operan a altas velocidades y, por lo tanto, deben ser livianas para minimizar las fuerzas de inercia. Las aplicaciones comerciales incluyen herramientas de mano, computadoras portátiles, equipaje y escaleras, automóviles (por ejemplo, volantes y columnas, armazones de asientos, cajas de transmisión). Magnox (aleación), cuyo nombre es una abreviatura de “magnesio no oxidante”, es 99% magnesio y 1% aluminio, y se utiliza en el revestimiento de barras de combustible en reactores de energía nuclear magnox.

Tipos de aleaciones de magnesio

Los nombres de las aleaciones de magnesio a menudo se dan con dos letras seguidas de dos números. Las letras indican los principales elementos de aleación (A = aluminio, Z = zinc, M = manganeso, S = silicio). Los números indican las respectivas composiciones nominales de los principales elementos de aleación. Por ejemplo, la aleación AZ81 es una aleación de magnesio con aproximadamente un 8% de aluminio y un 1% de zinc.

Aleación Magnox – AL80

Magnox, cuyo nombre es una abreviatura de ” magnesio no oxidante “, es una aleación con alto contenido de magnesio principalmente de magnesio con pequeñas cantidades de aluminio y otros metales. Esta aleación, designada como aleación AL80, se utiliza como revestimiento para el combustible nuclear empleado en los reactores de centrales eléctricas moderados por grafito y refrigerados por gas del Reino Unido del mismo nombre. Los revestimientos de aleaciones de magnesio de tipo Magnox son bien compatibles con el uranio metálico a temperaturas de hasta 500°C y son muy resistentes a la oxidación.

Este material tiene la ventaja de una sección transversal de captura de neutrones baja, pero tiene dos desventajas principales:

  • Limita la temperatura máxima (a unos 415°C) y, por tanto, la eficiencia térmica de la planta.
  • La desventaja de estas aleaciones es una alta tendencia al crecimiento de granos, pérdida de propiedades de resistencia, oxidación en presencia de vapor de agua.

La aleación magnox Al80 tiene una composición de 0,8% de aluminio y 0,004% de berilio.

Como se escribió, la aleación magnox AL80 se utilizó principalmente como revestimiento de combustible en reactores de tipo Magnox. El 30 de diciembre de 2015, la Unidad 1 de Wylfa, se cerró el último reactor Magnox en funcionamiento del mundo. A medida que se implementaba el diseño de Magnox, ya se estaba trabajando en el reactor avanzado refrigerado por gas (AGR) con la intención explícita de hacer que el sistema sea más económico. El diseño AGR retuvo el moderador de grafito y el refrigerante de dióxido de carbono del Magnox, pero aumentó la temperatura de funcionamiento del gas de enfriamiento para mejorar las condiciones del vapor. Este aumento de temperatura (alrededor de 650°C (1202°F)) mejoraría en gran medida la eficiencia térmica de la planta de energía. Pero esto estaba demasiado caliente para la aleación magnox, y el AGR originalmente tenía la intención de usar un nuevo revestimiento a base de berilio, pero resultó demasiado frágil. Este fue reemplazado por un revestimiento de acero inoxidable. Sin embargo, el acero tiene una sección transversal de neutrones más alta y este cambio requirió el uso de combustible de uranio ligeramente enriquecido para compensar las secciones transversales de absorción más altas.

Elektron 21 – UNS M12310

En general, Elektron es la marca registrada de una amplia gama de aleaciones de magnesio fabricadas por una empresa británica Magnesium Elektron Limited. Elektron 21, designado por UNS M12310, es una de las aleaciones con excelente resistencia a la corrosión y moldeabilidad. Los productos fundidos poseen una microestructura de grano fino y una hermeticidad a la presión. Esta aleación se puede mecanizar fácilmente. La aplicación incluye deportes de motor y aeroespacial, ya que posee alta resistencia, peso ligero y excelentes características de amortiguación de vibraciones.

Propiedades de las aleaciones de magnesio

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 magnesio

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 magnesio

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 Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 280 MPa.

Resistencia a la fluencia - Resistencia máxima a la tracción - Tabla de materialesLa máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máximaque 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 Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 145 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 Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 45 GPa.

El módulo de Young es el módulo elástico para esfuerzos 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 las aleaciones de magnesio

La dureza Brinell de Elektron 21 – UNS M12310 es de aproximadamente 70 HB.

Número de dureza Brinell

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 magnesio

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 caloríficala 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 magnesio

El punto de fusión de Elektron 21 – UNS M12310 es de alrededor de 550 – 640°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 magnesio

La conductividad térmica de Elektron 21 – UNS M12310 es 116 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:

conductividad térmica - definición

La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir  k = k (T). Se asocian definiciones similares con 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.

References:
Ciencia de los materiales:

Departamento de Energía de EE. UU., Ciencia de Materiales. Manual de Fundamentos del DOE, Volumen 1 y 2. Enero de 1993.
Departamento de Energía de EE . UU., Ciencia de Materiales. Manual de fundamentos del DOE, Volumen 2 y 2. Enero de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciencia e Ingeniería de Materiales: Introducción 9ª Edición, Wiley; 9a edición (4 de diciembre de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por qué se rompen las cosas: entender el mundo a través de la forma en que se desmorona. Armonía. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introducción a la Termodinámica de Materiales (4ª ed.). Taylor y Francis Publishing. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. y Mancini, HL (2004). Introducción a la ciencia de los materiales. Prensa de la Universidad de Princeton. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiales: ingeniería, ciencia, procesamiento y diseño (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introducción a la ingeniería nuclear, 3d ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.

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Aleaciones

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