Ashby 1

MATERIALES PARA INGENIERÍA 1 Introducción a las propiedades, las aplicaciones y el diseño

Michael F. Ashby \ David R. H. Jones Department of Engineering, University of Cambridge, UK

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · Caracas · México

Título de la obra original: Engineering Materials I. An Introduction to Properties, Applications and Design

Edición original en lengua inglesa: Elsevier Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 30 Corporate Drive, Burlington, MA 01803 Copyright © 2005 All rights reserved.

Versión española traducida por: Juan Baselga Llidó* (Coordinador) Dr. Ciencias Químicas Julio Bravo de Pedro** Dr. Ciencias Químicas Javier González Benito ** Dr. Ciencias Químicas Elena Gordo Odériz** Dr. Ingeniero de Minas

Belén Levenfeld Laredo ** Dr. Ciencias Químicas José Manuel Torralba Castelló* Dr. Ingeniero de Minas y Dr. Ingeniero de Armamento y Material Alejandro Várez Álvarez** Dr. Ciencias Químicas

Catedráticos (*) y Profesores Titulares (**) de Universidad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química, Universidad Carlos III de Madrid MAQUETACIÓN: Reverté-Aguilar, S. L.

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B 08029 Barcelona. ESPAÑA Tel: (34) 93 419 33 36 Fax: (34) 93 419 51 89 [email protected] www.reverte.com Edición en español: © Editorial Reverté, S. A., 2008 ISBN: 978-84-291-7255-3 Volumen 1 ISBN: 978-84-291-7257-7 Obra completa Impreso en España - Printed in Spain Depósito Legal: B-9410-2008 Impreso por Liberdúplex, S. L. U.

Reservados todos los derechos. La reproducción total o parcial de esta obra, por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, queda rigurosamente prohibida, salvo excepción prevista en la ley. Asimismo queda prohibida la distribución de ejemplares mediante alquiler o préstamo públicos, la comunicación pública y la transformación de cualquier parte de esta publicación (incluido el diseño de la cubierta) sin la previa autorización de los titulares de la propiedad intelectual y de la Editorial. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (Art. 270 y siguientes del Código Penal). El Centro Español de Derechos Reprográficos (CEDRO) vela por el respeto a los citados derechos.

ASHBY, MICHAEL F. [Engineering Materials 1. An Introduction to Properties, Applications and Design. Español] Materiales para ingeniería 1 : Introducción a las propiedades, las aplicaciones y el diseño / Michael F. Ashby ; [versión española traducida por Juan Baselga Llidó ... [et al.] – Barcelona : Reverté, 2008 XIV, 424 p. : il., gráf. ; 24 cm. Traducción de: Engineering Materials1. An Introduction to Properties, Applications and Design. – Índice DL-B 9410 -2008. - ISBN 978-84-291-7255-3 (vol. 1) 1. Materiales para ingeniería 1. I. Jones, David R. H., coaut. II. Baselga Llidó, Juan, coord., trad. III. Título. 620

Índice Introducción general

xi

1. Los materiales de ingeniería y sus propiedades

1

1.1 1.2

Introducción Ejemplos de selección de materiales

2 4

A. Precio y disponibilidad

15

2. El precio y la disponibilidad de los materiales

17

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Introducción Datos sobre los precios de los materiales Utilización de los materiales Materiales ubicuos Crecimiento exponencial del consumo de los materiales Disponibilidad de recursos El futuro Conclusión

18 18 20 21 22 23 25 26

B. Los módulos de elasticidad

29

3. Los módulos de elasticidad

31

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Introducción Definición de tensión Definición de deformación Ley de Hooke Medida del módulo de Young Valores del módulo de Young

4. Enlace atómico 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

Introducción Enlaces primarios Enlaces secundarios Estado condensado de la materia Fuerzas interatómicas

5. Empaquetamiento atómico en los sólidos 5.1 5.2 5.3

Introducción Empaquetamiento de átomos en cristales Estructuras compactas y energías del cristal

32 32 35 36 37 39 43 44 45 49 51 51 55 56 56 56

vi Índice 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

Cristalografía Índices de los planos Índices de las direcciones Otras estructuras cristalinas sencillas importantes Empaquetamiento de átomos en polímeros Empaquetamiento de átomos en vidrios inorgánicos La densidad de los sólidos

6. Bases físicas del módulo de Young 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Introducción El módulo de los cristales Elastómeros y temperatura de transición vítrea Materiales compuestos Resumen

7. Casos prácticos de diseño limitado por el módulo 7.1

7.2 7.3

Caso práctico 1: el espejo de un telescopio, incluyendo la selección del material para minimizar la deflexión del disco por su propio peso Caso práctico 2: selección de materiales para producir una viga de una rigidez dada con el mínimo peso Caso práctico 3: selección de materiales para minimizar el coste de una viga de una rigidez dada

58 60 61 62 64 65 66 73 74 74 76 78 81 85

86 91 93

C. Límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad

97

8. Límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad

99

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9

Introducción Elasticidad lineal y no lineal; comportamiento anelástico Curvas de carga-alargamiento características del comportamiento no elástico (plástico) Curvas de tensión-deformación verdaderas para flujo plástico Trabajo por deformación plástica Ensayo de tracción Datos Ensayo de dureza Revisión de los términos mencionados en este capítulo y algunas relaciones útiles

9. Dislocaciones y deslizamiento en cristales 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

Introducción Resistencia de un cristal perfecto Dislocaciones en cristales La fuerza que actúa sobre una dislocación Otras propiedades de las dislocaciones

100 100 101 103 106 106 107 108 111 119 120 120 122 128 129

n Í dice

10. Métodos de endurecimiento y deformación plástica de policristales 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Introducción Mecanismos de endurecimiento Endurecimiento por disolución sólida Endurecimiento por precipitación y dispersión Endurecimiento por trabajo en frío Resistencia al deslizamiento de las dislocaciones Deformación plástica en policristales Consideraciones finales

11. Aspectos vinculados al flujo plástico 11.1 11.2 11.3 11.4

Introducción La aparición de cedencia y el límite elástico a cizalladura, k Análisis del ensayo de dureza La inestabilidad plástica: estricción en cargas a tracción

12. Casos prácticos de diseño según el límite elástico 12.1 12.2 12.3 12.4

Introducción Caso práctico 1. Diseño elástico: materiales para muelles Caso práctico 2. Diseño plástico: materiales para una vasija a presión Caso práctico 3. Plasticidad con gran deformación: laminación de metales

vii 131 132 132 132 133 135 135 136 139 141 142 142 144 145 153 154 154 159 160

D. Fractura rápida y tenacidad

167

13. Fractura rápida y tenacidad

169

13.1 Introducción 13.2 Criterio energético para la fractura rápida 13.3 Valores de Gc y Kc 14. Micromecanismos de la fractura rápida 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Introducción Mecanismos de propagación de una grieta, 1: desgarro dúctil Mecanismos de propagación de una grieta, 2: clivaje Materiales compuestos, incluida la madera Fragilidad de las aleaciones

15. Casos prácticos de fractura rápida 15.1 Introducción 15.2 Caso práctico 1: fractura rápida en un tanque de amoniaco 15.3 Caso práctico 2: explosión de una ventana de presión de polimetacrilato de metilo durante un ensayo hidrostático 15.4 Caso práctico 3: agrietamiento de una camisa de espuma de poliuretano en un tanque de metano líquido 15.5 Caso práctico 4: colapso de la barandilla de madera de una terraza

170 170 175 181 182 182 184 186 187 191 192 192 195 198 202

viii Índice 16. Probabilidad de fractura en los materiales frágiles 16.1 Introducción 16.2 Estadística de la resistencia y distribución de Weibull 16.3 Caso práctico: agrietamiento de la camisa de espuma de poliuretano de un tanque de metano líquido

209 210 212 216

E. Fallo por fatiga

221

17. Fallo por fatiga

223

17.1 17.2 17.3 17.4

Introducción Comportamiento a fatiga de componentes sin grietas Comportamiento a fatiga de componentes preagrietados Mecanismos de fatiga

18. Diseño según la fatiga 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8

Introducción Datos de la fatiga en componentes sin grietas Concentración de tensiones Factor de sensibilidad a la entalla Datos de la fatiga en uniones soldadas Técnicas para mejorar el comportamiento a fatiga Diseño para evitar ciclos a fatiga Comprobación de vasijas a presión frente al agrietamiento por fatiga

19. Casos prácticos de diseño a fatiga 19.1 Introducción 19.2 Caso práctico 1: fatiga a alto número de ciclos de un componente no agrietado –fallo de un tubo de órgano 19.3 Caso práctico 2: fatiga a bajo número de ciclos de un componente no agrietado –fallo de la argolla de sujeción de un sumergible 19.4 Caso práctico 3: fatiga de un componente agrietado –la seguridad de la máquina Stretham

224 224 228 230 237 238 238 239 240 241 242 244 246 251 252 252 259 264

F. Deformación por fluencia y fractura

271

20. Fluencia y fractura por fluencia

273

20.1 20.2 20.3 20.4 20.5

Introducción Ensayo de fluencia y curvas de fluencia Relajación por fluencia Daño por fluencia y fractura por fluencia Materiales resistentes a la fluencia

21. Teoría cinética de la difusión 21.1 Introducción 21.2 La difusión y la ley de Fick

274 277 280 282 283 287 288 289

Índice

21.3 Coeficientes de difusión 21.4 Mecanismos de difusión 22. Mecanismos de fluencia y materiales resistentes a la fluencia 22.1 22.2 22.3 22.4

Introducción Mecanismos de fluencia: metales y cerámicos Mecanismos de fluencia: polímeros Selección de materiales resistentes a la fluencia

23. El álabe de una turbina: un caso práctico de diseño limitado por la fluencia 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7

Introducción Propiedades del álabe de una turbina Superaleaciones base níquel Desarrollos de ingeniería: enfriamiento del álabe Desarrollos futuros: metales y materiales compuestos de matriz metálica Desarrollos futuros: cerámicas de alta temperatura Rentabilidad

ix 293 294 299 300 300 307 309 311 312 313 314 318 319 321 322

G. Oxidación y corrosión

325

24. Oxidación de los materiales

327

24.1 24.2 24.3 24.4 24.5

Introducción La energía de oxidación Velocidades de oxidación Datos Micromecanismos

25. Casos prácticos de oxidación seca 25.1 25.2 25.3 25.4

Introducción Caso práctico 1: fabricación de aleaciones inoxidables Caso práctico 2: protección de álabes de turbina Operaciones de unión: un apunte final

26. Corrosión húmeda de los materiales 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5

Introducción Corrosión húmeda La diferencia de potencial como fuerza impulsora de la oxidación húmeda Velocidad de oxidación húmeda Ataque localizado

27. Casos prácticos de corrosión húmeda 27.1 27.2 27.3 27.4

Introducción Caso práctico 1: protección de tuberías subterráneas Caso práctico 2: materiales para un tejado ligero de una fábrica Caso práctico 3: sistemas de escape de gases en automóviles

328 328 329 332 332 337 338 338 339 343 345 346 346 347 350 350 357 358 358 360 363

x Índice H. Fricción, abrasión y desgaste

367

28. Fricción y desgaste

369

28.1 28.2 28.3 28.4 28.5 28.6

Introducción Fricción entre materiales Valores de los coeficientes de rozamiento Lubricación Desgaste de materiales Propiedades superficiales e intrínsecas

29. Casos prácticos de fricción y desgaste 29.1 29.2 29.3 29.4

Introducción Caso práctico 1: diseño de cojinetes lisos Caso práctico 2: materiales para esquíes y trineos Caso práctico 3: elastómeros de alta fricción

370 370 373 374 375 377 381 382 382 385 387

I. Diseñando con metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos

391

30. Diseño con materiales

393

30.1 Introducción 30.2 Metodología del diseño 31. Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches 31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 31.7

Introducción Coches y energía Medios para economizar la energía Materiales en el coche Materiales alternativos Métodos de producción Conclusiones

Apéndice: Símbolos y fórmulas Referencias Índice

394 396 399 400 400 400 402 402 408 410 411 419 421

Introducción general Al estudiante La innovación en ingeniería a menudo significa el uso inteligente de un nuevo material –nuevo para una aplicación determinada, pero no necesariamente nuevo (aunque sí algunas veces) en el sentido de desarrollado recientemente. Los clips de plástico y los álabes cerámicos de las turbinas representan intentos de mejorar con polímeros y con cerámicos lo que previamente se hacía con metales. Y los desastres en ingeniería con frecuencia están causados por un mal uso de los materiales. Cuando una cucharilla de plástico se comba mientras se remueve el té, o cuando un avión cae al suelo porque aparecen fisuras en su cola, se debe a que los ingenieros que los diseñaron emplearon materiales equivocados o no entendieron las propiedades de éstos. Por ello es vital que el ingeniero profesional conozca cómo se seleccionan los materiales y sepa cuál se ajusta a las demandas del diseño –demandas económicas y estéticas, así como de resistencia y durabilidad. El diseñador debe comprender las propiedades de los materiales y sus limitaciones. Este libro presenta una amplia introducción a estas propiedades y limitaciones. No nos hace expertos en materiales, pero puede enseñarnos cómo hacer una elección sensata de un material, cómo evitar los errores que, en el pasado, han producido bochorno o tragedia, y dónde encontrar una ayuda más detallada. En el índice se aprecia que los capítulos están organizados en grupos, de los que cada uno describe una clase particular de propiedades: módulo elástico, tenacidad a la fractura, resistencia a la corrosión, etcétera. Cada grupo de capítulos comienza con la definición de la propiedad, explicando cómo se mide y proporcionando los datos que se emplearán para resolver problemas relacionados con el diseño con materiales. Luego se pasa a la ciencia básica que subyace detrás de cada propiedad y se muestra cómo se puede usar este conocimiento fundamental para seleccionar los materiales con mejores propiedades. Cada grupo finaliza con un capítulo de casos prácticos en los que la comprensión y los datos para cada propiedad se aplican a problemas ingenieriles prácticos que atañen a los materiales. Al final de cada capítulo hay una serie de ejemplos; cada uno de ellos se ha elegido para consolidar o desarrollar algunos aspectos específicos tratados en el texto. Mientras un capítulo determinado esté todavía fresco en la mente se debe intentar hacer los ejemplos propuestos. De esta forma estaremos seguros de dominar cada aspecto tratado. Ningún ingeniero pretende aprender o recordar tablas y listas de valores de propiedades de los materiales, pero se debería intentar recordar los órdenes de magnitud de estas cantidades. Los fruteros saben que “un kilo de manzanas es aproximadamente 10 manzanas” –las pesan, pero su conocimiento les evita cometer errores tontos que les podrían costar dinero. De forma análoga, un ingeniero debería conocer que “la mayoría de los módulos de elasticidad están comprendidos entre 1 y 103 GN m–2 y en torno a 102 GN m–2 para los metales” –en cualquier diseño real se necesita un valor exacto, que se obtiene a partir de las especificaciones de los suministradores, pero el conocimiento de los órdenes de magnitud evita errores de unidades o cometer equivocaciones absurdas y costosas. Para ayudar en esta tarea, al final del libro se ha añadido una lista de definiciones importantes y fórmulas que se deberían conocer, o ser capaz de deducir, y un resumen de los órdenes de magnitud de las propiedades de los materiales. Al profesor Este libro es un curso de Materiales de Ingeniería para estudiantes de ingeniería sin conocimientos previos en la materia. Está diseñado para enlazar con las enseñanzas de diseño, mecánica y estructuras, y para satisfacer las necesidades de los estudiantes de ingeniería de un primer curso de materiales, enfatizando las aplicaciones de diseño.

xii

Introducción general

El texto es conciso a propósito. Cada capítulo está diseñado para cubrir el contenido de unos 50 minutos de clase, y deja tiempo para demostraciones y gráficos. El texto ofrece casos prácticos que aplican el material de las clases precedentes. Hay ejemplos para el estudiante al final de cada capítulo. Se ha hecho un esfuerzo para reducir el análisis matemático al nivel más sencillo posible, aunque manteniendo la comprensión física esencial y llegando a resultados que, aunque aproximados, son útiles. Pero se han evitado descripciones sencillas: la mayoría de los casos prácticos y de los ejemplos realizan análisis y utilizan datos para llegar a las soluciones numéricas de problemas reales o postulados. Este nivel de análisis, y estos datos, son similares a los que deberían emplearse en los estudios preliminares para la selección de un material o en los análisis de un diseño (o del fallo de un diseño). Es necesario indicar a los estudiantes que el siguiente paso debería requerir un análisis mecánico más preciso y detallado y el empleo de datos de los suministradores de materiales o hallados en ensayos de laboratorio. Los datos de los materiales varían de una forma notoria. Las tablas de datos aproximados, como las que se dan aquí, aunque útiles nunca deberían utilizarse en los diseños reales. Agradecimientos Los autores y los editores agradecen a los propietarios de los derechos de reproducción el permiso para reproducir sus fotografías en las siguientes figuras: 1.3, Rolls-Royce Ltd; 1.5, Catalina Yachts Inc; 7.1, Photo Labs, Royal Observatory, Edinburgh; 9.11, Dr Peter Southwick; 31.7, Group Lotus Ltd; 31.2 Photo credit to Brian Garland © 2004, cortesía de Volkswagen.

2 Capítulo 1 Los materiales de ingeniería y sus propiedades

1.1

Introducción Se dice que existen más de 50 000 materiales disponibles para el ingeniero. En el diseño de una estructura o dispositivo, ¿cómo elegirá el ingeniero entre un menú tan amplio el material más adecuado? Los errores pueden causar desastres. Durante la Segunda Guerra Mundial, un tipo de barco mercante fabricado por soldadura sufrió grandes pérdidas pero no causadas por el enemigo, sino a causa de que se partió por la mitad en el mar: la tenacidad a la fractura del acero, en particular la de las soldaduras 1-1, era muy pequeña. Más recientemente, tres aviones Comet se perdieron antes de que se cayera en la cuenta de que el valor de diseño de la resistencia a la fatiga –para los marcos de las ventanillas– era superior a la del material elegido. El lector mismo tendrá experiencias negativas a causa de un mal diseño en aparatos de plástico: sus frecuentes fallos se deben a que el que los diseñó probablemente no consideró el bajo módulo que tienen los polímeros. En la Tabla 1.1 se listan estas propiedades de los materiales junto con otras que debe considerar el diseñador a la hora de elegir un material. Muchas de estas propiedades seguramente serán familiares al lector y se presentarán con algunos ejemplos en este capítulo. Son la base de este primer curso de materiales.

Tabla 1.1

Tipos de propiedades. Económicas

Precio y disponibilidad Reciclabilidad

Físicas

Densidad

Mecánicas

Módulos Límite elástico y resistencia a la tracción Dureza Tenacidad a la fractura Resistencia a la fatiga Resistencia a la fluencia Amortiguamiento de las vibraciones

Térmicas

Conductividad térmica Calor específico Coeficiente de expansión térmica

Eléctricas y magnéticas

Resistividad Constante dieléctrica Permeabilidad magnética

Interacción con el entorno

Oxidación Corrosión Desgaste

Producción

Facilidad de fabricación Unión Acabado

Estéticas

Color Textura Aspecto

1.1 Introducción

3

En este primer curso también trataremos los distintos tipos de materiales que se muestran en la Tabla 1.2 y en la Figura 1.1. La mayoría de los componentes de ingeniería están fabricados con metales y aleaciones, más que con ningún otro tipo de material. Pero, de forma creciente, los polímeros son cada vez más atractivos para el diseñador a causa de que ofrecen una buena combinación de propiedades. Y basta con leer un periódico para cerciorarse de que las cerámicas, aún en desarrollo en el mundo, son un tipo de material de ingeniería emergente que permite fabricar motores más eficientes desde el punto de vista térmico, cuchillos más afilados y cojinetes con menos fricción. El ingeniero puede combinar las mejores de estas propiedades para producir materiales compuestos (el más típico es la fibra de vidrio), que también ofrecen un atractivo conjunto de propiedades. Y finalmente no podemos ignorar los materiales naturales, como la madera o la piel, que poseen propiedades que –incluso con los desarrollos científicos actuales en ciencia de materiales– son difíciles de superar.

Tabla 1.2

Tipos de materiales. Metales y aleaciones

Hierro y aceros Aluminio y sus aleaciones Cobre y sus aleaciones Níquel y sus aleaciones Titanio y sus aleaciones

Polímeros

Polietileno (PE) Polimetacrilato de metilo (PMMA) Poliamidas –nailon– (PA) Poliestireno (PS) Poliuretano (PU) Policloruro de vinilo (PVC) Politereftalato de etilenglicol (PET) Polieteretercetona (PEEK) Resinas epoxi (EP) Elastómeros, como el caucho natural (NR)

Cerámicos y vidrios*

Alúmina –esmeril, zafiro– (Al2O3) Magnesia (MgO) Sílice (SiO2), vidrio y silicatos Carburo de silicio (SiC) Nitruro de silicio (Si3N4) Cemento y hormigón

Materiales compuestos

Polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) Polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP) Polímeros cargados Cermets

Materiales naturales

Madera Piel Algodón, lana, seda Hueso

*

Las cerámicas son cristalinas, inorgánicas, no metálicas. Los vidrios son sólidos no cristalinos (o amorfos). La mayoría de los vidrios para ingeniería son no metálicos, pero hoy existe un gran número de vidrios metálicos con propiedades útiles.

1.2 Ejemplos de selección de materiales

5

siado. Un alto módulo es uno de los criterios de selección de un material para esta aplicación, pero no el único. La varilla ha de tener, además, un alto límite elástico. Si no lo tiene se doblará o torcerá cuando se gire con fuerza (los malos destornilladores lo hacen). Además, debe tener una gran dureza, porque si no se dañará con la cabeza del tornillo. En conjunto, el material de la varilla, incluyendo su extremo plano, no sólo debe cumplir estos requisitos sino que además ha de soportar una posible rotura –el vidrio, por ejemplo, tiene un alto módulo, un alto límite elástico y una gran dureza, pero no es una buena elección para esta aplicación porque es muy frágil. De forma más precisa, diremos que posee una baja tenacidad a la fractura; la del acero es alta, pues se deforma antes de romperse. El mango del destornillador es de un polímero o plástico, en este caso polimetacrilato de metilo, también conocido como PMMA, “plexiglas” o “perspex”. El mango tiene una sección mayor que la varilla, por lo que su posible torsión, y por tanto su módulo, importan menos. No sería muy conveniente un elastómero blando (otro polímero) porque su módulo es demasiado bajo, aunque un recubrimiento fino de caucho podría ser útil gracias a su elevado coeficiente de fricción, evitando que se deslice. Antiguamente, por supuesto, los mangos de las herramientas se hacían de otro polímero natural –madera– y, quitando importancia al volumen consumido por año, la madera aún es el polímero más importante disponible para el ingeniero. La madera se remplaza por PMMA porque éste se reblandece con la temperatura y se puede moldear de forma sencilla y darle formas complejas. Es fácil de fabricar para esta aplicación. También se elige por cuestiones estéticas: su aspecto, su textura, son adecuados; además, su densidad es baja, por lo que no hace pesado al destornillador. Por último, el PMMA es barato, lo que permite que el producto final tenga un precio razonable. Vayamos a un segundo ejemplo (Figura 1.3), tomado de la ingeniería de diseño de materiales avanzados para turbinas de motores de grandes aviones. El aire es forzado a pasar (y entrar) al motor a través de la turbina, suministrando empuje aerodinámico. El aire se comprime en los álabes del compresor, se mezcla con el combustible y se quema en la cámara de combustión. Los gases expansionados mueven los álabes, que proporcionan energía a la turbina y a los álabes de compresión, y finalmente pasan a la parte posterior y contribuyen al empuje. Los álabes de turbina son de una aleación de titanio, un metal. Tienen suficiente módulo, límite elástico y tenacidad a la fractura. Pero el metal también tiene que resistir a la fatiga (causada por cargas alternativas rápidas), debe tener buena resistencia al desgaste superficial (provocado por el golpeteo de gotas de agua o pájaros) y ser resistente a la corrosión (importante en ambientes próximos al mar por la posible entrada de sal pulverizada al motor). Por último, la densidad es un factor extremadamente importante por razones evidentes: cuanto más pesado sea el motor, menos carga podrá llevar el avión. En un esfuerzo por reducir aún más el peso se han probado álabes de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP), cuya densidad es la mitad que la del titanio. Pero los CFRP no cubren todos los requerimientos de un álabe de turbina, ya que el golpe de un pájaro los rompería. La solución podría ser revestir con metal un álabe de CFRP. Volviendo a los álabes de turbina de la zona más caliente del motor, éstos deben satisfacer aún más requerimientos. El combustible debe quemarse a la temperatura más alta posible, para optimizar el rendimiento. La primera fila de álabes (los llamados HP1)

6 Capítulo 1 Los materiales de ingeniería y sus propiedades

Figura 1.3

Corte transversal de una turbina de motor de aviación.

soporta temperaturas de 950 ºC, por lo que se requiere de ellos una buena resistencia a la fluencia y a la oxidación. Para esta exigente aplicación se utilizan superaleaciones a base de níquel, de composición y estructura compleja, que son la cúspide de la pirámide de esta avanzada tecnología. Un ejemplo que también permite analizar distintos requisitos son las bujías de un motor de combustión interna (Figura 1.4). Los electrodos que producen la chispa deben soportar fatiga térmica (cambios bruscos de temperatura), desgaste (causado por la erosión de la chispa), y corrosión y oxidación, a causa de los gases de la parte alta de los cilindros, que contienen compuestos nocivos como el azufre. Para estos electrodos se utilizan aleaciones de wolframio porque cumplen todas estas propiedades. El aislante de la zona central del electrodo es un ejemplo de material no metálico –en este caso alúmina, una cerámica. Se elige por sus propiedades como aislante eléctrico y porque posee una buena resistencia a la fatiga térmica, a la corrosión y a la oxidación (ya es un óxido). El uso de materiales no metálicos ha crecido de manera rápida en la industria de consumo. Nuestro siguiente ejemplo, un barco de recreo (Figura 1.5), muestra cómo los polímeros, los materiales compuestos artificiales y las fibras han sustituido a los materiales “tradicionales” como el acero, la madera y el algodón. Un casco de yate típico es de GFRP, fabricado en un molde único; el GFRP tiene un buen aspecto y, a diferencia del acero o la madera, no se oxida ni sirve de alimento a moluscos y gusanos. El mástil se hace de aleaciones de aluminio, más ligeras que la madera para una resistencia dada; los

4.3 Enlaces secundarios

+

+ +

+

+

Iones metálicos

+

+

+

Figura 4.8

+

“Gas” de electrones “libres”

+ +

49

+

+

+

Enlace metálico.

El enlace metálico, como su nombre indica, es el enlace dominante (aunque no el único) en los metales y sus aleaciones. En un metal sólido (o líquido) los electrones con mayor energía tienden a deslocalizarse con respecto a los átomos (que se convierten en iones) y a combinarse formando un “mar” de electrones que no están ligados a ningún ion en particular (Figura 4.8). Esto da lugar a una curva de energía muy similar a la del enlace covalente; se puede describir mediante la ecuación (4.4) y tiene una forma similar a la que aparece en la Figura 4.6. La facilidad de movimiento de los electrones da lugar a la elevada conductividad eléctrica que presentan los metales. El enlace metálico no es direccional, por lo que los iones metálicos tienden a empaquetarse para dar lugar a estructuras con elevada densidad, como bolas de cojinete agitándose en una caja.

4.3

Enlaces secundarios Los enlaces secundarios son muy importantes, aunque sean más débiles que los enlaces primarios. Son los que unen las moléculas poliméricas en el polietileno y otros polímeros, y los hacen sólidos. Sin ellos, el agua herviría a –80 ºC y la vida en la Tierra, tal y como la conocemos, no existiría. Las interacciones de Van der Waals consisten en atracciones con carácter dipolar entre átomos no cargados. La carga electrónica de un átomo está en movimiento; podemos imaginar los electrones como pequeñas gotas cargadas moviéndose alrededor del núcleo como la Luna alrededor de la Tierra. Promediada en el tiempo, la carga electrónica tiene simetría esférica, pero en un instante dado es asimétrica con respecto al núcleo. Es un efecto similar al que causan las mareas. Esta distribución instantánea de la carga tiene un momento dipolar, que induce otro dipolo en un átomo cercano y los dos dipolos se atraen (Figura 4.9). Los dipolos se atraen de tal forma que su energía varía con 1/r6. Así, la energía asociada a las interacciones de Van der Waals tiene la forma: U



A r6 N Término de atracción



B rn N

(n | 12)

(4.5)

Término de repulsión

Un buen ejemplo es el nitrógeno líquido, que a presión atmosférica se licua a –198 ºC con fuerzas de Van der Waals entre las moléculas de N2. La agitación térmica producida cuando el

50 Capítulo 4 Enlace atómico

r

–

+

Dipolo aleatorio en el primer átomo

Figura 4.9

–

+

Dipolo inducido en el segundo átomo

Interacción de Van der Waals. Los átomos se mantienen juntos por la distribución de la carga en el dipolo.

nitrógeno líquido se vierte en el suelo a temperatura ambiente es mayor que la necesaria para romper las uniones de Van der Waals, lo que demuestra lo débiles que son este tipo de fuerzas. Pero sin este tipo de interacciones, la mayoría de los gases no se podrían licuar a temperaturas alcanzables y no sería posible la separación de los gases industriales de la atmósfera. Los enlaces de hidrógeno mantienen el agua en fase líquida a temperatura ambiente y unen cadenas poliméricas para dar lugar a polímeros sólidos. El hielo (Figura 4.10) presenta enlaces de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno comparte su carga con el átomo de oxígeno más próximo. El hidrógeno tiene un defecto de carga negativa, por lo que está cargado positivamente, y el oxígeno tiene un exceso de carga negativa, por lo que está cargado negativamente. La carga positiva del átomo de H actúa como un puente entre los iones de oxígeno vecinos, y por tanto cada molécula de H2O se comporta como un dipolo que atrae a otras moléculas de H2O.

Átomo de oxígeno Molécula de H2O Átomo de hidrógeno

Enlace de hidrógeno

Figura 4.10

Organización de las moléculas de H2O en el hielo, mostrando los enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas separadas, y ésta es la razón por la que el hielo tiene menor densidad que el agua.

4.4

4.4

Estado condensado de la materia

51

Estado condensado de la materia Debido a la formación de enlaces primarios y secundarios, la materia puede condensarse desde el estado gaseoso y dar lugar a líquidos y sólidos. Se pueden identificar cinco distintos estados condensados de la materia que difieren en su estructura y en el tipo de enlace (Tabla 4.1). En los líquidos, los átomos o las moléculas están muy cerca unos de otros, pero pueden deslizar unos respecto a otros; por así decirlo, los enlaces secundarios están relajados. Por esta razón los líquidos tienen un módulo volumétrico, K, elevado en comparación con el estado gaseoso, y resisten la compresión aunque su módulo de cizalla, G, sea cero. Los demás estados de la materia, recogidos en la Tabla 4.1, se distinguen por el tipo de enlace (relajado frente a fuerte) y por su estructura (cristalina frente a no cristalina). Estas diferencias se reflejan en las magnitudes relativas de su módulo volumétrico y módulo de cizalla –cuanto más carácter líquido tenga el material, menor será su relación G/K.

Tabla 4.1

Estados condensados de la materia. Estado

Enlaces

Módulo

Relajado 1. 2. 3. 4. 5.

4.5

Líquidos Cristales líquidos Elastómeros Vidrios Cristales

* * * (secundario)

Fuerte

K

GyE

* (primario) * *

Alto Alto Alto Alto Alto

Cero Muy bajo Bajo (E « K) Alto (E |K) Alto (E |K)

Fuerzas interatómicas Una vez que se han establecido los distintos tipos de enlace que pueden existir entre los átomos y la forma de las curvas de energía potencial, U(r), se pueden estudiar las fuerzas existentes entre los átomos. A partir de la curva U(r) podemos calcular la fuerza, F, entre dos átomos situados a una distancia r con la siguiente relación

F

dU dr

(4.6)

La Figura 4.11 muestra la forma de la curva fuerza/distancia obtenida a partir de la curva energía/distancia aplicando la fórmula anterior. Hay que tener en cuenta las siguientes consideraciones: (1) F es cero a la distancia de equilibrio r = r0; sin embargo, si los átomos se separan una distancia (r – r0) aparece una fuerza que se opone a esa separación. Para distancias (r – r0) pequeñas esa fuerza es proporcional a (r – r0) para todos los materiales, tanto en tracción como en compresión.

Ejemplos

53

y el enlace se comporta de una forma elástica lineal –éste es el origen físico de la ley de Hooke. Para concluir, el concepto de rigidez de enlace, basado en las curvas energía/distancia para distintos tipos de enlace, es un largo camino hacia la explicación del origen del módulo de elasticidad. Antes de poder explicar completamente los datos experimentales del módulo es necesario conocer cómo se agrupan los átomos individuales para formar piezas de materiales. La naturaleza del enlace influye en el empaquetamiento de los átomos en los materiales de ingeniería. Éste será el tema del próximo capítulo.

Ejemplos 4.1

La energía potencial U de dos átomos a una distancia r es:

U



A B  , rm rn

m

2,

n 10

Si los átomos forman una molécula estable con una distancia de enlace de 0,3 nm y una energía de –4 eV, calcular A y B. Calcular la fuerza necesaria para romper la molécula, y la separación crítica a la cual la molécula se rompe. Dibujar la curva energía/distancia y debajo de ella la curva fuerza/distancia apropiada. Respuestas

A: 7,2 × 10–20 J nm2; B: 9,4 × 10–25 J nm10; Fuerza: 2,39 × 10–9 N a 0,352 nm. 4.2

La energía potencial U de un par de átomos en un sólido puede escribirse como

U



A B  rm rn

donde r es la separación entre los átomos, y A, B, m y n son constantes positivas. Indicar el significado de los dos términos de la ecuación. 4.3

La tabla siguiente recoge el modulo de Young, E, el volumen atómico, :, y la temperatura de fusión, TM, para una serie de metales. Si

E

ÃkTM :

(donde k es la constante de Boltzmann y à es una constante), calcular y tabular el valor de la constante à para cada metal. Encontrar una media aritmética de à para estos metales. Utilice la ecuación, con la media de Ã, para calcular un valor aproximado del módulo de Young del (a) diamante y (b) el hielo. Comparar los valores obtenidos con los valores

12.2 Caso práctico 1. Diseño elástico: materiales para muelles

127

Centro de gravedad del bloque

t=2 Tambor

157

127

120

50

δ≤6,35 mm 330

Dimensiones en mm

Bloque

Muelle

Figura 12.3

Muelles de lámina en un embrague centrífugo.

donde M es la masa del bloque, r la distancia del centro de gravedad del bloque al eje de rotación y Ȧ la velocidad angular. La fuerza neta que el bloque ejerce sobre el borde del embrague a máxima velocidad es Mr ( Z22 Z12 )

(12.6)

donde Z2 y Z1 son las velocidades angulares a 800 y 600 rpm (la fuerza neta debe ser cero para Z2 = Z1, a 600 rpm). La potencia total transmitida viene dada por 4 Ps Mr ( Z22 Z12 ) u “distancia desplazada por segundo” en la parte interna de la carcasa del embrague a velocidad máxima, esto es potencia = 4Ps Mr ( Z22 Z12 ) uZ2 r

(12.7)

Ps es el coeficiente de fricción estática (una constante que depende parcialmente del material antifricción del embrague) y r viene especificado por el diseño (que no puede ser muy grande). Tanto la potencia como Z2 y Z1 están definidas en la ecuación (12.7), por lo que M también es conocida; finalmente, la máxima fuerza sobre el muelle se determina por diseño a partir de F = Mr Z12 . El requisito de que esa fuerza provoque una flecha de sólo 6,35 mm entre la viga y el revestimiento en contacto es lo que determina el espesor, t, del muelle, según la ecuación (12.1) (l y b están fijados por el diseño). Materiales metálicos para muelles de embrague

Dadas las dimensiones del muelle (t = 2 mm, b = 50 mm, l = 127 mm) y G d 6,35 mm, todo ello especificado por diseño, ¿qué material debemos usar? Eliminando F de las ecuaciones (12.1) y (12.4) se tiene Vy E

!

6 Gt l2

6 u 6,35u 2 127 u127

4, 7 u103

(12.8)

Igual que cuando buscábamos materiales con altos valores de Vy2/E, ahora debemos asegurar que el material que elijamos –si tiene las dimensiones especificadas y ha de

14.2 Mecanismos de propagación de una grieta, 1: desgarro dúctil

183

Grieta por fatiga Nº 2

Superficie de fractura rápida

Grieta por fatiga Nº 1

Figura 14.1

Antes de romperse, este perno de acero sostenía un asiento en el aeropuerto de Milán. Al sentarse alguien, la parte inferior de la sección transversal se somete a tensión generando una grieta que crece por fatiga del metal (Capítulo 17; grieta Nº 1). Cuando alguien se levanta, la parte superior entra en tensión, generando el crecimiento por fatiga de la grieta Nº 2. Finalmente el perno falló por fractura rápida de la mayor de las dos grietas fatigadas. ¡La víctima pudo escapar con el perno fracturado!

del material; la grieta ejerce el efecto de concentrar las tensiones. Un análisis matemático muestra que la tensión local en el extremo de una grieta aguda en un material elástico es V local = V V

a 2r

(14.1)

A medida que uno se aproxima al fondo de la grieta, la tensión local va aumentando hasta que a una distancia ry del fondo de la grieta la tensión alcanza el valor del límite de elasticidad, Vy, del material, y aparece deformación plástica (Figura 14.2). La distancia ry se puede calcular fácilmente igualando Vlocal = Vy en la ecuación (14.1). Suponiendo que ry es pequeño comparado con la longitud de la grieta, a, el resultado es ry

ı2 a 2ı 2y K2 = 2ʌı 2y

(14.2)

La grieta se propaga cuando K es igual a Kc; la anchura de la zona plástica, ry, viene dada por la ecuación (14.2) reemplazando K por Kc. Nótese que la zona plástica se contrae rápidamente cuando Vy aumenta: las grietas en los metales blandos tienen una zona plástica amplia; la zona plástica en las grietas de los cerámicos duros es pequeña, o no existe. Incluso cuando se denominan puros, muchos metales contienen pequeñas inclusiones (o partículas) de compuestos químicos formados por reacción entre el metal e impurezas

188 Capítulo 14 Micromecanismos de la fractura rápida 14.2

Un bidé cerámico, con un uso normal, falló catastróficamente y causó importantes laceraciones a la persona afectada. La fractura se inició en una grieta preexistente, de una longitud 2a = 20 mm, que atravesaba el espesor, localizada en el desagüe circular. La tensión medida en un ensayo realizado con galgas extensométricas en un bidé idéntico fue de 0,4 a 1,0 MN m–2 (a tracción) y la tensión residual (por contracción durante la fabricación) fue de 4 MN m–2 (a tracción). El ensayo de una muestra de ese material dio un valor de Kc = 1,3 MN m–3/2. Suponiendo que el agujero introduce un factor de concentración local de tensiones de 3, explique el fallo utilizando la mecánica de fractura.

14.3

Explique las siguientes observaciones: (a) Los metales dúctiles tienen una elevada tenacidad, mientras que los vidrios, los cerámicos y los polímeros rígidos tienen una tenacidad baja. (b) Los materiales compuestos reforzados con fibras alineadas tienen una tenacidad mucho mayor cuando la grieta se propaga perpendicular a las fibras que cuando lo hace en paralelo a ellas.

14.4

La fotografía adjunta, obtenida por microscopía electrónica de barrido (SEM), muestra una pequeña parte de la superficie de una fractura por desgarro dúctil. El material es una aleación de aluminio. Comente las características que observe y relaciónelas con la descripción dada en el texto. [Nota: esta superficie de fractura es de la región de fractura rápida del brazo-rodillo roto del Caso Práctico 1 del Capítulo 19.]

400 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches

31.1

Introducción La posición del acero como materia prima de elección para fabricar los chasis de los coches se debe, principalmente, a su precio. Siempre ha sido el material más barato que cumple los requisitos de resistencia, rigidez, conformabilidad y soldabilidad para la producción a gran escala de coches. Hasta hace poco, el hecho de que la densidad del acero fuera dos tercios la del plomo no era importante, pero a medida que los condicionantes ambientales y los requerimientos legislativos acerca de las emisiones y la eficiencia del combustible se han ido endureciendo, esta visión ha cambiado. Los fabricantes de coches están buscando alternativas al acero.

31.2

Coches y energía Se necesita energía para fabricar un coche, y se necesita energía para hacerlo funcionar. La subida de los precios del petróleo significa que, desde 1980, el coste del combustible consumido en la vida media de un coche se puede comparar con el coste del coche. Los consumidores, por tanto, necesitan coches que utilicen el combustible de forma eficiente y que contaminen menos. En la Tabla 31.1 se muestra una visión diferente del problema: el 15% de toda la energía la consumen coches de uso privado. La dependencia de la mayoría de los países de la importación de petróleo supone tal problema que están buscando medios para reducirla. El transporte privado es un objetivo atractivo, ya que reducir su consumo no llevaría a una depresión de la economía. En Estados Unidos, por ejemplo, la legislación emplaza a los fabricantes a aumentar el kilometraje medio de 22,5 a 34,5 millas por galón,* y en algunas ciudades (como Los Ángeles) se ha impuesto la meta de emisiones cero. ¿Cómo podemos conseguirlo?

31.3

Medios para economizar la energía En la Tabla 31.1 podemos ver con claridad que el contenido energético de un coche –acero, caucho, vidrio y el conjunto de sus procesos de fabricación– es pequeño: menos de una décima parte de lo que se necesita para moverlo. Esto significa que aquí hay poco que hacer para ahorrar energía; de hecho (como veremos), gastar más energía en fabricar el automóvil (utilizando, por ejemplo, aluminio en vez de acero) reduce el consumo de combustible. Hay que centrarse, pues, en reducir la energía que se utiliza para mover el coche. Hay dos vías: (a) Mejorar la eficiencia del motor. Los motores son, en la actualidad, extremadamente eficientes; la economía que se puede alcanzar aquí es limitada, aunque puede ayudar. * 1 milla = 1609,344 metros; 1 galón = 3,785412 litros.

31.3 Medios para economizar la energía

401

(b) Reducir el peso del coche. La Figura 31.1 muestra la variación del consumo de combustible (galones por milla, g.p.m.) y el kilometraje (millas por galón, m.p.g.) con el peso del coche. Hay una correlación lineal: reduciendo a la mitad el peso se reducen a la mitad los g.p.m. Éste es el motivo por el cual los coches pequeños son mucho más económicos que los grandes: el tamaño del motor y las prestaciones tienen alguna influencia, pero es el peso el que determina el consumo de combustible. Podemos, entonces, reducir el tamaño de los coches, pero al consumidor no le gusta. O podemos reducir el peso del coche sustituyendo los materiales actuales por otros más ligeros. Coches más ligeros no sólo utilizan menos combustible sino que también emiten menos polución –y de aquí el interés por producir coches más ligeros, invirtiendo la tendencia histórica que ha ido en la dirección contraria.

Energía en la fabricación y el uso de automóviles. Energía para producir coches, por año

=

0,8% a 1,5% del total de la energía consumida por la nación

Energía para mover coches, por año

=

15% del total de la energía consumida por la nación

Transporte de personas y cosas, total

=

24% del total de la energía consumida por la nación

0,3 0,1

km litro–1 o m.p.g. 60

40

10 0,1

0 0

1000 2000 Peso del coche (kg)

Consumo de combustible en la producción de coches.

3000

km litro–1

0,05

0

Figura 31.1

Litro km–1 o g.p.m

0,2 Litro km–1

Galones/milla (g.p.m.)

20

20

0

Milla/galón (m.p.g.)

Tabla 31.1

31.5 Materiales alternativos

405

Podemos realizar un análisis similar para la deformación plástica. Un panel de la sección mostrada en la Figura 31.5 cede bajo una carga § Cbt 2 · F =¨ ¸V y © l ¹

(31.5)

La masa del panel es conocida, como antes, por la ecuación (31.2). La única variable es t, que viene dada por § Fl ·1/ 2 t ¨ ¨ CbV ¸ ¸ © y ¹

(31.6)

de la ecuación (31.5). Sustituyendo t en la ecuación (31.2) se obtiene § Fbl 3 ·1/ 2§ U · M =¨ ¸ ¨ 1/2 ¸ ¸ © C ¹ ¨ © Vy ¹

(31.7)

El panel que buscamos es el que tiene el menor valor de U / V 1/y 2 . Podemos valorar materiales candidatos de una forma más adecuada con los datos que se muestran en la Tabla 31.3. Los valores de los dos grupos de propiedades más importantes se muestran en las dos últimas columnas. Para la mayoría de los paneles de carrocería (para los que la deflexión elástica determina el diseño) los aceros de alta resistencia no ofrecen ventajas respecto a los aceros suaves: tienen el mismo valor de U/E1/3. El GFRP es mejor (menor U/E1/3 y, por tanto, menor peso), e incluso el aluminio es mejor –ésta es la razón por la que los aviones se hacen de aluminio. Pero nótese que el ahorro de peso al pasar de acero a aluminio no es de un factor 3 (la relación entre densidades) sino sólo de 2 (la relación entre sus U/E1/3), ya que el panel de aluminio debe ser algo más grueso para compensar el menor E.

b l F

t σy C=

Figura 31.5

2 3

Cedencia del panel de la carrocería.

406 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches Los aceros de alta resistencia sí ofrecen un ahorro de peso para algunos componentes cuya resistencia es limitante: parachoques, panel frontal y trasero, soporte del motor, mamparas y otros; el ahorro de peso U / V1/y 2 es de un factor 1,5. Tanto el aluminio como la fibra de vidrio pueden suponer un ahorro de hasta 3 veces U / V1/y 2 en estos componentes. Esto hace posible un ahorro de al menos un 30% del peso del vehículo, y si además se utiliza un bloque de motor de aluminio, el ahorro total es aún mayor. Estos ahorros son sustanciales –suficientes para conseguir una mejora en el kilometraje de 22,5 a 34,5 millas por galón, sin disminuir el tamaño del coche ni aumentar la eficiencia del motor. Por ello, en la actualidad se están examinando minuciosamente. ¿Qué otras propiedades se requieren de los posibles materiales sustitutos? Propiedades secundarias

Pese a que la resistencia a la deflexión elástica y a la deformación plástica son las más importantes a la hora de elegir materiales alternativos, hay otras propiedades a tener en cuenta. Vamos a verlas sucintamente. En la Tabla 31.4 se listan las propiedades que imponen las condiciones de servicio ambientales. Las deflexiones elástica y plástica ya las hemos comentado. La tenacidad del acero es tan alta que la fractura de un panel de acero rara vez es un problema. ¿Pero qué ocurre con el resto de los materiales? Los datos de tenacidad los podemos comparar en la Tabla 31.5. ¿Cuál es el modo apropiado de considerar los valores de tenacidad? El planteamiento más correcto consiste en suponer que el panel está cargado hasta su límite elástico (por encima de esta carga sabemos que empezará el fallo –por flujo plástico, por lo que no importa qué otro mecanismo de fallo pudiera aparecer). ¿Cuál es el tamaño de grieta que se mantiene estable? Si es lo suficientemente grande como para no aparecer en servicio, será satisfactorio; si no, debemos aumentar la sección. Este tamaño de grieta (Capítulo 13) se calcula mediante V y ʌa

Kc

EGc

Tabla 31.4 Condiciones ambientales de servicio de un coche medio. Carga

Ambiente físico Ambiente químico

Estática Impacto Impacto Fatiga Estática prolongada

o o o o o

–40 ºC < 55% <

Deflexión elástica o plástica Deflexión elástica o plástica Fractura Fractura por fatiga Fluencia T < 120 ºC humedad relativa < 100%

Agua Aceite Líquido de frenos Líquido de transmisión

Combustible Anticongelante Sal

410 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches deo presenta algunas ventajas. Permite una gran flexibilidad de diseño –particularmente en los cambios de sección y detalles agudos– que no se puede conseguir con el acero, y permite la consolidación en una sola etapa de varios componentes, reduciendo los costes de ensamblado.

31.7

Conclusiones Las conclusiones se presentan en la siguiente tabla.

A. Acero de alta resistencia A favor

En contra

Se emplea la tecnología actual

El ahorro de peso sólo se produce en el supuesto de diseño contra flujo plástico

Se usa en algunas aplicaciones concretas, por ejemplo parachoques.

B. Aleaciones de aluminio A favor

En contra

Grandes ahorros de peso tanto en carrocería como en motor Se emplea gran parte de la tecnología actual Excelente resistencia a la corrosión

Coste unitario mayor Malas propiedades para embutición profunda –pérdida en flexibilidad de diseño

El uso del aluminio permite ahorros de peso de hasta un 40% en el peso total de un coche. El aumento del coste unitario se compensa por la disminución en el consumo y el mayor potencial de reciclado del aluminio.

C. GFRP A favor

En contra

Gran ahorro de peso en la carrocería Excelente resistencia a la corrosión

Coste unitario mayor Grandes cambios en la tecnología de fabricación En el diseño hay que considerar la fluencia

Gran flexibilidad en el diseño y en la consolidación de algunas piezas

El uso de GFRP permite ahorros de peso de hasta el 30% en el peso del automóvil, con un ligero aumento en el coste unitario y con inversiones considerables en los procesos de fabricación. Los problemas de reciclado todavía están por resolver.