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.
Aplicación de aleaciones ligeras
Las aleaciones ligeras se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices, arquitectónicas, litográficas, de embalaje, eléctricas y electrónicas. Son el principal material de construcción de la industria aeronáutica a lo largo de la mayor parte de su historia. Aproximadamente el 70% de las estructuras de las aeronaves civiles comerciales están hechas de aleaciones de aluminio, y sin el aluminio la aviación civil no sería económicamente viable. Un kilogramo de metal ahorrado en el diseño y la construcción de una aeronave puede resultar en un importante ahorro de peso en los costos de construcción y en los requisitos totales de combustible.
En ocasiones, se utilizan otros metales, como el acero y el titanio, para construir aviones. Sin embargo, el acero es pesado, por lo que no se usa demasiado. El titanio es casi tan fuerte como el acero, tiene un peso medio, es resistente al calor y resistente a la corrosión. Por ejemplo, el Lockheed SR-71 Blackbird, el avión propulsado a chorro más rápido del mundo, está hecho de titanio. En algunos casos, estas aleaciones ligeras pueden ser reemplazadas por materiales compuestos, especialmente aquellos hechos de fibras de vidrio, fibras de carbono y Kevlar. Estos materiales compuestos son fuertes, pero pueden pesar la mitad que el aluminio. Estos materiales ligeros y personalizables son cada vez más populares. Más de la mitad de los materiales utilizados para fabricar el Boeing 787 Dreamliner son compuestos.
Las aleaciones ligeras a base de metal también se pueden usar para piezas que operan a altas velocidades y, por lo tanto, deben ser livianas para minimizar las fuerzas de inercia. Otras aplicaciones comerciales incluyen herramientas de mano, computadoras portátiles, equipaje y escaleras, automóviles (por ejemplo, volantes y columnas, armazones de asientos, cajas de transmisión).
Tipos de aleaciones ligeras
Como se escribió, 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. Además de estos metales, el berilio también es un metal liviano de alta resistencia con un módulo elástico muy alto (303 GPa) que está encontrando un uso cada vez mayor como material estructural en vehículos aeroespaciales. El módulo de elasticidad del berilio es casi tres veces mayor que el del titanio.
- Aleaciones de aluminio. 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. El aluminio y sus aleaciones se utilizan ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices, arquitectónicas, litográficas, de embalaje, eléctricas y electrónicas.
- Aleaciones de magnesio. Las 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 (1,202°F)) de todos los metales alcalinotérreos. Las aleaciones de magnesio se utilizan normalmente 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. Debemos agregar que el magnesio puro es altamente inflamable, especialmente cuando se pulveriza o se afeita 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.
- Aleaciones de titanio. Las aleaciones de titanio son metales que contienen una mezcla de titanio y otros elementos químicos. Estas aleaciones tienen una resistencia a la tracción y una tenacidad muy altas (incluso a temperaturas extremas). Son livianos, tienen una extraordinaria resistencia a la corrosión y la capacidad de soportar temperaturas extremas. Aunque el titanio «comercialmente puro» tiene propiedades mecánicas aceptables y se ha utilizado para implantes ortopédicos y dentales, para la mayoría de las aplicaciones el titanio se alea con pequeñas cantidades de aluminio y vanadio, típicamente 6% y 4% respectivamente, en peso. Esta mezcla tiene una solubilidad sólida que varía drásticamente con la temperatura, lo que le permite experimentar un fortalecimiento por precipitación.
Propiedades de los metales ligeros y las aleaciones
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.
Densidad de aleaciones y metales ligeros
La densidad de una aleación de aluminio típica es de 2,7 g/cm3 (aleación 6061).
La densidad de una aleación de magnesio típica es de 1,8 g/cm3 (Elektron 21).
La densidad de una aleación de titanio típica es de 4,43 g/cm3 (Ti-6Al-4V).
La densidad se define como la masa por unidad de volumen. Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:
ρ = m / V
En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es kilogramos por metro cúbico (kg/m3). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico (lbm/ft3).
Dado que la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia, es obvio que la densidad de una sustancia depende en gran medida de su masa atómica y también de la densidad del número atómico (N; átomos/cm3),
- Peso atómico. La masa atómica es transportada por el núcleo atómico, que ocupa sólo alrededor de 10-12 del volumen total del átomo o menos, pero contiene toda la carga positiva y al menos el 99,95% de la masa total del átomo. Por lo tanto, está determinado por el número de masa (número de protones y neutrones).
- Densidad del número atómico. La densidad del número atómico (N; átomos/cm3), que está asociada con los radios atómicos, es el número de átomos de un tipo dado por unidad de volumen (V; cm3) del material. La densidad del número atómico (N; átomos/cm3) de un material puro que tiene un peso atómico o molecular (M; gramos/mol) y la densidad del material (⍴; gramos/cm3) se calcula fácilmente a partir de la siguiente ecuación utilizando el número de Avogadro (NA = 6,022×1023 átomos o moléculas por mol):
- Estructura cristalina. La densidad de la sustancia cristalina se ve afectada significativamente por su estructura cristalina. La estructura de FCC, junto con su relativo hexagonal (hcp), tiene el factor de empaque más eficiente (74%). Los metales que contienen estructuras de FCC incluyen austenita, aluminio, cobre, plomo, plata, oro, níquel, platino y torio.
Propiedades mecánicas de metales ligeros y aleaciones
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 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 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 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.
Propiedades térmicas de metales ligeros y aleaciones
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 aleaciones y metales ligeros
El punto de fusión de la aleación de aluminio 6061 es de alrededor de 600°C.
El punto de fusión de Elektron 21 – UNS M12310 es de alrededor de 550 – 640°C.
El punto de fusión de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de alrededor de 1660°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 metales ligeros y aleaciones
La conductividad térmica de la aleación de aluminio 6061 es de 150 W/(mK).
La conductividad térmica de Elektron 21 – UNS M12310 es 116 W/(mK).
La conductividad térmica de Ti-6Al-4V – aleación de titanio de grado 5 es de 6,7 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 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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