Taller 2 Materiales

Propiedades de los Materiales utilizados en el sector aeronáutico

.

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL SECTOR AERONÁUTICO Mayra Geraldine Bogotá Anzola e-mail: [email protected]

Melissa Tatiana Galindo Pabón e-mail: [email protected] aeronáutico se encuentran su elevada relación de resistencia al peso, a la corrosión, conductividad térmica y eléctrica, flexibilidad, apariencia y facilidad de conformado y maquineabilidad.

RESUMEN: Reconocer, identificar y conocer las propiedades de los materiales es muy importante en el campo de la ingeniería, ya que son ellos los que aportan las características de resistencia y estabilidad de lo que se va a diseñar. Si no se tuviese en cuenta las características de los materiales en los diseños y simplemente se construyera, existiría una amplia posibilidad de que fallaran fallaran las estructuras estructuras y/u objetos. objetos. PALABRAS CLAVE: CLAVE: propiedades, elementos.

materiales,

Para la designación de las aleaciones del aluminio en bruto se identifican mediante cuatro dígitos y una designación de temple mostrando el estado del material:

estructuras,

1xxx – Aluminio comercialmente puro 2xxx – Aluminio – Cobre 3xxx – Aluminio – Manganeso 4xxx – Aluminio – Silicio 5xxx – Aluminio – Magnesio 6xxx – Aluminio – Manganeso Manganeso - Silicio 7xxx – Aluminio – Zinc. [1]

1 INTRODUCCIÓN En este trabajo se presentan las propiedades físicas, mecánicas, químicas, entre otras de los principales materiales utilizados en el campo aeronáutico. Para cada uno de ellos se presentara sus principales aplicaciones en

1.1 Aleaciones templables con endurecimiento estructural.

las estructuras de aviones comerciales y militares, así como en accesorios para las mismas.

Para otorgarle las propiedades mecánicas a las aleaciones con endurecimiento estructural se requieren una secuencia de tratamientos térmicos:

2 FECHA DE REALIZACION Agosto 31 de 2013 – Septiembre 1 de 2013



3 FECHA DE ENTREGA: Septiembre 1 de 2013

4 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN EL SECTOR AERONÁUTICO 

A continuación se describirán las propiedades mecánicas, propiedades químicas y características físicas de los principales materiales utilizados en el sector aeronáutico. MATERIALES METÁLICOS I.

Puesta en solución (solubilización): Proceso (solubilización): Proceso realizado a una temperatura elevada del orden de 530°. Durante el mantenimiento prolongado a esta temperatura, los compuestos intermetálicos del tipo Mg 2Si para aleaciones de la serie 6XXX, del tipo AL 2Cu para series 2XXX, se re disuelven y la aleación forma entonces una solución liquida homogénea. Temple: Se Temple: Se trata de un enfriamiento muy rápido del metal que se hace por inmersión o ducha de agua fría. Es inmediatamente después del temple cuando las aleaciones son fácilmente deformables, por tanto para obtener la tenacidad máxima la velocidad de temple debe ser tres veces más rápida que la velocidad critica de temple.

Aleaciones de Aluminio 

Dentro de los factores más importantes para la selección de aluminio (Al) y de sus aleaciones en el sector

1

Maduración (natural o artificial): Después artificial): Después del temple la solución solida sobresaturada está en un estado metaestable. La vuelta al equilibrio,


. COMPOSICION QUÍMICA [4]

es decir la precipitación de los compuestos intermetálicos que provocan endurecimiento estructural. [2]

Elemento Máximo (%) Mínimo (%) Silicio 0,5 Hierro 0,5 Cobre 3,8 4,9 Manganeso 0,3 0,9 Magnesio 1,2 1,8 Cromo 0,1 Zinc 0,25 Titanio 0 0,15 Tabla 1: Propiedades químicas Aluminio 2024T3

1.2 Subdivisión de los estados T: Tratamiento térmico, la aleación de aluminio esta seguida por: T3: Tratamiento térmico de solución, temple, acritud y madurado natural. Aplicado a productos que después de un tratamiento de solución 0o temple con el fin de mejorar su resistencia mecánica [2] T6: Indica que ha recibido un tratamiento térmico de solución temple y maduración artificial, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, suele incluirse en este estado los productos que después del temple son sometidos a un aplanado o enderezado por tracción sin efecto sobre las propiedades mecánicas. [2]

PROPIEDADES FISICAS Densidad [kg/m3] Rango de fusión [°C]

500683

Módulo de elasticidad [MPa]

73000

Coeficiente de Poisson Figura 1. Representación del tratamiento endurecimiento estructural. Imagen tomada

de de

Aleación

El principal aleante de la serie es el cobre, y se encuentra en valores comprendidos entre el 1,9 % y el 6,8 %. Sus propiedades mecánicas son mejoradas con tratamiento térmico de solución y templado.

2024T3

ALUMINIO 2024T3 Es una de las aleaciones más utilizadas en el sector aeronáutico en elementos de fijación (remaches macizos, remaches high shear, remaches ciegos, tornillos ciegos, tornillos de 12 puntos, tornillos hexagonales, pernos, lockbolts, hi-lock, taper-lock, tuercas) capaces concentrar las cargas concentradas y transferirlas. Estos elementos deben poseer características como:



Temple T3 : 120 Temple T3 : 5,7

0,33

PROPIEDADES MECANICAS

1.3 Serie 2XXX



22,9

Calor especifico (0 920 -100 °C) Tabla 2: Propiedades físicas Aluminio 2024T3

http://www.alu-stock.es/tecnica/tratamientos.htm



Coef. de dilatación (0 -100 °C) [°C1 x106] Conductividad térmica (0100°C) [W/m °C] Resistividad a 20°C

2,77

Aleación

2024T3

Resistencia a la corrosión. Resistencia a la fatiga (Tracción y cortadura). Permeabilidad magnética ( a ciertos equipos o sistemas de control ) [3]

2

Tensión Resistencia (Ksi) Elongación en 2 in. Ultimo Cadencia 1/16” 1/2” Espesor Diámetro 70 50 18 -

Dureza

Corte

Fatiga

Modulo

Brinell

Ultimo de Corte

Límite de Fatiga*

Resisten cia (Ksi)

(Ksi)

Módulo de elasticida d (Ksi x 103) **

41

20

10,6

500 kg Balo de 10 mm 120

Aleación

Módulo de Corte

2024T3

Ksi 18.85

Resistencia a la fluencia Ksi 55,11

Resistencia de carga ultima Ksi 10587.75


.

Aleación 2024T3

-100 °C) Tabla 6. Propiedades Físicas Aluminio 2224T3

Módulo de Elasticidad

Tenacidad

(Ksi x 10 3) ** 10

ksi-in1/2 10587.75

PROPIEDADES MECANICAS Aleación

Tabla 3. Propiedades mecánicas Aluminio 2024T3 2224T3

PROPIEDADES ELECTRICAS Sistema Métrico

Propiedad

Sistema Ingles

Resistividad 3.99x10-6 Ωcm 3.99x10-6 Ωcm Eléctrica* Tabla 4. Propiedades eléctricas Aluminio 2024T3

Aleación

* Para una temperatura de 20°C * Las propiedades mecánicas típicas indicadas usualmente son mayores a las mostradas. ** Basado en 500x106 de ciclos en condiciones de esfuerzos completamente aleatorios usando la máquina de pruebas y muestra de R.R. Moore.

2224T3

ALUMINIO 2224T3:

Módulo de elasticidad [MPa] Coeficiente de Poisson

73000

0,33

Calor especifico (0

500683

Modulo

Brinell

Ultimo de Corte

Límite de Fatiga*

Resisten cia (Ksi)

(Ksi)


128.35

20.01

10,6

500 kg Balo de 10 mm 120

Aleación

Módulo de Corte

2224T3

Ksi 4061.0



Sistema Métrico

Sistema Ingles

Resistividad 5,82x10-6 Ωcm 5,82x10-6 Ωcm Eléctrica* Tabla 8. Propiedades eléctricas Aluminio 2024T3 * Para una temperatura de 20°C * Las propiedades mecánicas típicas indicadas usualmente son mayores a las mostradas. ** Basado en 500x106 de ciclos en condiciones de esfuerzos completamente aleatorios usando la máquina de pruebas y muestra de R.R. Moore. ALUMINIO 2024 T3 ALCLAD

PROPIEDADES FISICAS

Rango de fusión [°C]

Fatiga

Propiedad

Elemento Máximo (%) Mínimo (%) Aluminio 90,7 94,7 Cromo 0,1 Cobre 3,8 4,9 Hierro 0,5 Magnesio 0,3 0,9 Manganeso 1,2 1,8 Silicio 0,5 Zinc 0,25 Tabla 5. Propiedades químicas Aluminio 2224T3


Corte

PROPIEDADES ELECTRICAS

COMPOSICION QUIMICA [5]

2780

Dureza

Tabla 7. Propiedades mecánicas Aluminio 2224T3

Ha sido utilizado en el sector aeronáutico con el propósito de obtener mejores combinaciones de resistencia, ductilidad y tolerancia a choques. [6]

Densidad [kg/m3]

Tensión Resistencia (Ksi) Elongación en 2 in. Ultimo Cadencia 1/16” 1/2” Espesor Diámetro 0.482 50 18 -

Es resistente a la corrosión formada por superficies de aluminio de alta pureza ligada metalúrgicamente a un núcleo de aleación de aluminio de alta resistencia. Esta aleación de aluminio es usada como protección c ontra la corrosión en la fabricación de compartimientos para baterías de avión, revestimientos de fuselaje.

22,9

Temple T3 : 120

Es una aleación de aluminio (Al), Manganeso (Mn) y Magnesio (Mg) tratado a alta temperatura, que tiene en su superficie la resistencia a la corrosión del aluminio

Temple T3 : 5,7 920

3


. puro y la resistencia a la tracción de aleación en el interior [6].

aluminio es ideal para trabajos con un buen acabado superficial, presenta facilidad de maquinado, posee excelentes características para soldadura fuerte y al arco, además de no ser toxico.


Sus características le hacen ser un material propio para uniones y acepta distintos recubrimientos.

Elemento Máximo (%) Mínimo (%) Cromo 0,1 Cobre 3,8 4,9 Hierro 0,5 Magnesio 1,2 1,8 Manganesio 0,30 0,9 Silicio 0,5 Zinc 0,25 Tabla 9: Propiedades químicas Aluminio 2024T3 Alclad

Esta aleación puede ser templada inmediatamente a la salida de la prensa por enfriamiento al aire soplado o por una ducha de agua [10]. Hacer dicho proceso presenta ventajas como: 



PROPIEDADES FISICAS [5] Densidad [kg/m3] Rango de fusión [°C] Módulo de elasticidad [MPa] Coeficiente de Poisson

2600

500683 6,9




22,9

Sin embargo las condiciones de temple en la prensa deber ser adaptadas a las temperaturas críticas de temple de las aleaciones, al espesor y a la geometría del producto. COMPOSICION QUIMICA DEL ALUMINIO 6061-T6 Para asegurar la máxima eficiencia del aluminio, este cuenta con las siguientes especificaciones [4]:

Calor especifico (0 920 -100 °C) Tabla 10. Propiedades físicas Aluminio 2024 Alclad 0,33

   

PROPIEDADES ELECTRICAS Propiedad

Sistema Métrico

Reduce el riesgo de formación de tamaño de grano en la zona cortical (límites del material). Se consiguen mejores características mecánica, al conservar una textura no recristalizable. Se evitan las deformaciones geométricas.

 

Sistema Ingles

 

Resistividad 4,056x10-6 Ωcm 4,056x10-6 Ωcm Eléctrica* Tabla 11. Propiedades eléctricas Aluminio 2024Alclad



0.4%-0.8% de Sí. 0.7% máximo de Fe. 0.15% - 0.40% de Cu. 0.8%-1.2% de Mg. 0.04%-0.35% de Cr. 0.25% máximo de Zn. 0.015% máximo de Ti. 0.05% máximo de otros elementos. 95.8%-98.6% de Al.

PROIEDADES FISICAS DEL ALUMINIO 6061-T6 [5]

1.4 Serie 6XXX

Propiedad

Los aluminios de esta serie son aleaciones de magnesio y silicio. Su proporción es 0.5% Magnesio y 0.5% Silicio, esta proporción permite obtener silicato de magnesio, lo cual hace posible tratar térmicamente esta aleación, y así mejorando su resistencia mecánica.

Sistema Métrico 2.7 g/cm

Sistema Ingles

Densidad 0.0975 lb/in Coeficiente de 0.33 0.33 Poisson Módulo de 68.9 GPa 10000 Ksi Elasticidad Punto de Fusión 582 – 652 °C 1080 – 1205 °F Conductividad 1160 167 W/m*K Térmica Btu*in/h*ft2*°F Tabla 12. Propiedades físicas del aluminio 6061-T6.

La razón por la cual se utilizan ambos elementos dentro de la aleación es porque el Magnesio (Mg) produce alta resistencia tras el conformado en frio y el Silicio (Si) combinado con el magnesio logra mayor resistencia mecánica [8]. ALUMINIO 6061T6

PROPIEDADES MECANICAS DEL ALUMINIO 6061-T6

Esta aleación es utilizada en estructuras tubulares en la mayoría de aeronaves experimentales como ultralivianos y aeronaves semejantes [9]. Otras de sus aplicaciones son accesorios de aeronaves, pasadores de bisagras, pistones de freno y pistones hidráulicos [8]. Este

El aluminio 6061-T6 es una aleación:

 

4

Dúctil. Ligera.


. 



 

por arco o fuerte/blanda. No obstante puede llegar a soldarse por puntos

Alta resistencia (parecida a la del acero), especialmente a la tensión. Resistencia a la corrosión. Conductor. Optima conformación con el frio.

Los aluminios de esta serie son aleaciones que tienen un mayor porcentaje de Zn y Mg, los cuales al combinarse entre sí forman compuestos intermetálicos como el MgZn 2, aportándole al material mayor dureza, debido a la alta solubilidad del zinc y magnesio [8].

Tensión Elongación % en 2 Dureza (Ksi) in.

Aleación

Ultimo

Cadencia

45

40

6061-T6

Dureza Brinell Aleación

6061-T6

500 kg de carga 10 mm de esfera 95

Aleación

Módulo de Corte

6061-T6

Ksi 3770 Tenacidad

Aleación

1/2

ksi-in 6061-T6

26.4

1/16”

1/2”

Espesor 12

Diámetro 17

Corte Dureza máxima de corte

Fatiga

ALUMINIO 7075-T6

Límite de Fatiga*

(Ksi)

(Ksi)

30

14

Resistencia a la fluencia Ksi 56 Módulo de Elasticidad

Los aluminios de esta serie son probablemente los más duros, sin embargo con el proceso de templado de solución temple y maduración artificial esta dureza tiende a reducirse. Su resistencia a la corrosión es baja si no se protege por una capa química o por pintura [9].

Este aluminio es utilizado en vigas, uniones de estructuras, así como en las estructuras mismas, en la fabricación de fuselajes de ala delta o del área de militar, accesorios de aeronaves, engranajes, ejes, partes de misiles, tornillos sin fin, es perfecto para aéreas en donde es necesaria una alta resistencia, así como en la fabricación de moldes [6].

Resistencia de carga ultima Ksi 88

COMPOSICION QUIMICA Para asegurar la máxima eficiencia del aluminio, este cuenta con las siguientes especificaciones [6].   

(Ksi x 10 3) ** 10

   

Tabla 13. Propiedades mecánicas del aluminio 6061-T6

 

* Las propiedades mecánicas típicas indicadas usualmente son mayores a las mostradas. ** Basado en 500x106 de ciclos en condiciones de esfuerzos completamente aleatorios usando la máquina de pruebas y muestra de R.R. Moore.

PROPIEDADES FISICAS Propiedad

PROPIEDADES ELECTRICAS Propiedad

Sistema Métrico

0.4% de Si. 0.5% de Fe. 1.2%-2% de Cu. 0.3% de Mn. 2.1%-2.9% de Mg. 0.18%-0.28% de Cr. 5.1%-6.1% de Zn. 0.2% de Ti. 0.15% máximo de otros elementos.

Sistema Métrico 2.8 g/cm 0.33

Densidad Coeficiente de Poisson Módulo de 72 GPa Elasticidad Punto de Fusión 475 - 630 °C Conductividad 130 W/m°C Térmica (0 a 100 °C) Calor Especifico 915 (0 a 100 °C) Coeficiente de 23.5 °C- x10 Dilatación (0 a 100°C) Resistividad a 5.2 Ωcm 20°C Tabla 15. Propiedades Físicas del aluminio 7075-T6

Sistema Ingles

Resistividad 3.99x10-6 Ωcm 3.99x10-6 Ωcm Eléctrica* Tabla 14. Propiedades eléctricas del aluminio 6061-T6 *Para una temperatura de 68°F

1.5 Serie 7XXX También llamados Duroaluminio. Los aluminios de la serie 7000 poseen alta resistencia mecánica. Este aluminio es un material apto para el mecanizado, sin embargo, no es un material adecuado para la soldadura

5


. materiales reciclados y superaleaciones no hacen parte de las especificaciones de la B 179, pero puede ser usada para hacer este tipo de aleaciones.

PROPIEDADES MECANICAS El aluminio 7075-T6 es una aleación:  

   

Esta norma NO especifica aleaciones de aluminio para fundición utilizados en el sector aeroespacial.

Alta resistencia mecánica Resistente a la corrosión (sin embargo es baja respecto a otras aleaciones). Resistencia a la fatiga. La relación resistencia-densidad es alta. Alta dureza. Alto índice de endurecimiento.

Aleación

Algunos de las aleaciones de aluminio para fundiciones se presentan en la siguiente tabla. Aleaciones

Características de Fundición Resistance Temperatura Pressure ASTM to Hot de Fusion °F Tightness Cracking1 SG100B 1035-1105 1 2 SG100A 1035-1105 1 2 SC84B 1000-1100 2 2 SC84A 1000-1100 2 2 SC102A 960-1080 1 2 SC114A 960-1080 2 2 SC174A 945-1200 4 4 SC174B 950-1200 4 4 S19 1025-1245 4 3 S12B 1065-1080 1 1 S12A 1065-1080 1 1 S5C 1065-1170 3 3 G8A 995-1150 5 5 Aleaciones Características de Fundición AntiDie FillingASTM Soldering 2 Capacity to the Die3 SG100B 3 2 SG100A 3 2 SC84B 2 1 SC84A 2 1 SC102A 1 2 SC114A 1 2 SC174A 1 2 SC174B 1 2 S19 1 2 S12B 1 1 S12A 1 1 S5C 4 4 G8A 5 5 Tabla 17. Fundición para aleaciones de aluminio.

Tensión Elongación % en 2 in. 1/16” 1/2” Cadencia Espesor Diámetro 73 11 11

Dureza (Ksi) Ultimo 7075-T6

83

Dureza Brinell Aleación

7075-T6

500 kg de carga 10 mm de esfera 150

Corte Dureza máxima de corte

Fatiga Límite de Fatiga*

(Ksi)

(Ksi)

48

23

Resistencia Resistencia a la de carga Aleación fluencia ultima Ksi Ksi Ksi 7075-T6 3900 83 73 Tabla 16. Propiedades mecánicas del aluminio 7075-T6 Módulo de Corte

ALUMINIO 7150-T6 Esta aleación es la más resistente de esta serie utilizada en el sector aeronáutico. Es una aleación con una tenacidad alta, lo que permite que se reemplace al aluminio 7075-T6 ya que cuenta con una resistencia de 6 a 10 Ksi mayor. Es una aleación que se puede tratar térmicamente, con el fin de aumentar su resistencia. Su resistencia a la corrosión es justa para sus aplicaciones.

1

Capacidad de las aleaciones de resistir esfuerzos por contracción mientras se enfrían a través de un corto rango de temperaturas. 2 Capacidad de las aleaciones fundidas a fluir fácilmente en y llenar superficies delgadas. 3 Clasificacion basada en la facilidad de corte, características de viruta y calidad.

Esta aleación es utilizada en la piel de las alas en los aviones comerciales, en donde un material resistente a la fluencia es vital [10].

II.

Aleaciones de aluminio para fundición.


2.1 ASTM B85 (AS 10G) [15] Aleaciones

Las aleaciones de aluminio para fundición están regidas bajo la norma ASTM B 179. Materiales puros,

6

Tensile Yield Strength Strength (Ksi) (Ksi) ASTM

Elongation en 2 in.


. SG100B 44 25 SG100A 46 24 SC84B 46 23 SC84A 47 23 SC102A 45 22 SC114A 48 24 SC174A 40.5 35 SC174B 46 36 S19 42 39 S12B 43 21 S12A 42 19 S5C 33 14 G8A 45 28 Tabla 18. Propiedades mecánicas típicas.

Azufre 0,05 Silicio 0,3 0,1 Tabla 19. Propiedades Químicas del acero SAE 1025.

2.5 3.5 2.5 3.5 3.5 2.5 <1 <1 <1 2.5 3.5 9 5

PROPIEDADES FISICAS Densidad [kg/m3] Rango de fusión [°C]

ESTA NORMA CUBRE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO PARA FUNDICIÓN EXCEPTO LAS QUE SON PARA EL SECTOR AERONÁUTICO.

-

PROPIEDADES MECANICAS Acero Tensión Resistencia (Ksi) Elongación en 2 in. Ultimo Cadencia 1/16” 1/2” Espesor Diámetro SAE 0.482 50 18 1025

Si se desea utilizar metales puros, metales reciclados y superaleaciones, se debe analizar la composición química y determinar si es posible. Si se comenten errores en la fundición, esta puede ser corregida únicamente por procesos tales como soldadura, impregnación, granallado o martilleo, entre otros [16].

Acero

III. Aceros de bajo y medio carbono. 3.1 SAE 1025

SAE 1025

Presentan excelentes propiedades de maquineabilidad y soldabilidad, para su conformación responde favorablemente al tratamiento térmico y trabajo en frio. El acero es una aleación de hierro y carbono (máximo 2.11% de carbono), al cual se le adicionan variados elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su diferente utilización en la industria. Los principales elementos de aleación son: Cromo, Tungsteno, Manganeso, Níquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y Fósforo. Los productos ferrosos con más de 2.11% de carbono denominan fundiciones de hierro.

Dureza

Corte

Fatiga

Modulo

Brinell

Ultimo de Corte

Límite de Fatiga*

500 kg Balo de 10 mm

Resisten cia (Ksi)

(Ksi)


120

63.81

20.01

10,6

Acero

Módulo de Corte

SAE 1025

Ksi 11.60 Tenacidad

Aleación SAE1025

En el sector aeronáutico son usados en la bancada del motor, tren de aterrizaje y soportes.

ksi-in1/2 10587.75



Módulo de Elasticidad (Ksi x 109) ** 19

Tabla 21. Propiedades mecánicas del acero SAE 1025.

PROPIEDADES QUÍMICAS [1] Máximo (%) 0,28 0,6 0,04

20

-

Calor 0,32 especifico (0 -100 °C) Tabla 20. Propiedades físicas del acero SAE 1025.

La composición química está determinada de acuerdo a las especificaciones de los métodos de prueba. Se permite la adición de pequeñas cantidades de modificadores y/o elementos de refinación de grano en aleaciones para fundición, antes del moldeo.

Elemento Carbón Manganeso Fosforo

500683

Módulo de elasticidad [MPa] Coeficiente de Poisson

2.2 ASTM B26


7,81

Mínimo (%) 0,22 0,3 -

7


. elasticidad [GPa] Coeficiente de Poisson

20°C Calor especifico (0 -100 °C)

0,29

-

Tabla 23. PROPIEDADES MECÁNICAS Acero

Tensión Resistencia (MPa) Elongación en 2 in. Ultimo Cadencia 1/16” 1/2” Espesor Diámetro 856 345 -

SAE 1045

Figura 2. Diagrama tensión – deformación SAE 1025

Acero

SAE 1042

Acero SAE 1042

Dureza

Corte

Fatiga

Modulo

Brinell

Ultimo de Corte

Límite de Fatiga*

500 kg Balo de 10 mm

Resisten cia(MPa)

(Ksi)


179

856

20.01

10,6

KPa 78 Tenacidad

Acero

Figura 3. Tratamiento térmico SAE 1025 3.2 ACERO AISI 1042 Elemento Carbón Manganeso Fosforo Azufre Hierro Tabla 22.

Mínimo (%) 0,47 0,3 0,1

LAMINADO EN FRIO Para este aluminio la resistencia a la tracción aumenta a 610 MPa, presenta un alargamiento a la ruptura menor y una reducción de área de un 10% en comparación al laminado normalizado LAMINADO EN CALIENTE

1. LAMINADO NORMALIZADO 7,87

Rango de fusión [°C]

-

Módulo de

200

Coef. de dilatación (0 -100 °C) [°C1 x106] Conductividad térmica (0100°C) [W/m °C] Resistividad a

10587.75

(Ksi x 109) ** 200

Tabla 24.

PROPIEDADES QUÍMICAS [1] Es usado comúnmente para la construcción de partes mecánicas

Densidad [kg/m3]

Resistencia de carga ultima Ksi -

Módulo de Elasticidad

ksi-in1/2

SAE1042

Máximo (%) 0,40 0,6 0,04 0,05 0,2

Resistencia a la fluencia Ksi -

Módulo de Corte

En este laminado disminuyen en comparación con un aluminio normalizado las siguientes características: -

   

-

8

La dureza Brinell Resistencia a la tracción se reduce Resistencia a la tracción rendimiento Alargamiento a la ruptura


. IV. ACERO INOXIDABLE 17-4PH V. Acero aleado Combina alta resistencia y dureza posterior al tratamiento térmico de baja temperatura y a corto plazo que reducen al mínimo el combado y desoxidación y una resistencia excelente a la corrosión, posee excelentes características de mecanizado. Debido a la alta resistencia, esta aleación se usa principalmente en el sector aeroespacial en engranajes, válvulas, alabes de turbinas y ejes.

SAE 4130 Pertenece a la serie 4000 AISI de los aceros. Es un metal ferroso. Es una baja aleación de acero. Es un acero de medio carbono. Esta aleación contiene Molibdeno y Cromo lo que le permite ser más resistente. El contenido de carbono es del 0.30% lo que le permite tener excelentes características frente a la soldadura. Esta aleación puede ser endurecida por tratamiento térmico. Es una aleación maquinable, los mejores resultados se obtienen en temperaturas normalizadas, la dureza del acero aumenta con los tratamientos térmicos, por lo que su maquinabilidad resulta más difícil después del tratamiento [18].

PROPIEDADES QUÍMICAS [2] Elemento Máximo (%) Mínimo (%) Carbono 0,40 Magnesio 1 Fosforo 0,04 Cobre 3 5 Niquel 3 5 Tabla 25. PROPIEDADES MECÁNICAS [2]

Respecto a sus aplicaciones es usada en estructuras tales como motores de aviación y tubería soldada.

Tratamiento Esfuerzo de térmico Fluencia 0,2% A* 1070 1207 155 175 B ** 790 931 155 135 Tabla 26. * Endurecimiento a 925 F (496°C) 4 horas de

COMPOSICION QUIMICA [17] Los principales componentes del acero SAE 4130 son:  

enfriamiento ** Endurecimiento1100F (593°C) 4 horas de enfriamiento

   

PROPIEDADES A ELEVADAS TEMPERATURAS [2]

*** Temperatura 100 °C N/mm 730 ksi 106 Tabla 27.

 

150

200

250

710 103

690 100

670 97

PROPIEDADES FISICAS

***4 horas de enfriamiento PROPIEDADES FÍSICAS [2] Temp de interval o [°C ] 0-100 0-200 0-300 0-400 0-500 Tabla 28.

Coef. De expansi ón térmica [x10-6°C1 ] 10,8 11 11,3 11,6 12

°C

20 100 200 300 400

Conductiv idad térmica [w.m-1.K-1] 14 16 18.5 20 22

0.28%-0.33% de C 0.8%-1.1% de Cr 97.3%-98.22% de Fe 0.4%-0.6% de Mn 0.15%-0.25% de Mo 0.035% máximo de P. 0.04% máximo de S. 0.15%-0.35% de Si.

Módulo de Deforma cion [GPa]

Propiedad

Sistema Métrico

Densidad Gravedad Especifica Coeficiente de Poisson Módulo de Elasticidad Capacidad Calorífica Punto de Fusión

7.85 g/cm 7.8

Sistema Ingles 491.4 lb/ft 7.8

0.29

0.29

205 GPa

29700 Ksi

0.477 J/g°C

0.114 Btu/lb°F

1370 – 1400 °C

2957-3011 °Ra 296 Btu*in/hr*ft2*°F 2.23x10-5

Conductividad Térmica Resistividad

197 193 186 180 175

42.7 W/m*K 2.23x10-5 Ω*cm

Ω*cm

Tabla 29. Propiedades físicas del acero SAE 4130 PROPIEDADES MECANICAS Propiedad Dureza (Brinell) Resistencia a la

9

Sistema Métrico 197 670 MPa

Sistema Ingles 197 97200 psi


. En la siguiente tabla se mostraran los calores específicos para distintas temperaturas de trabajo:

tracción Elongación 25% 25% máxima Módulo de 140 GPa 20300 ksi Compresibilidad Módulo de 80 GPa 11600 ksi Corte Coeficiente de Expansión 7 7 Térmica Tabla 30. Propiedades mecánicas del acero SAE 4130. VI. Superaleaciones para temperaturas

uso

a

Calos Especifico (J/kg*°C) 20 446 100 467 200 494 300 520 400 547 500 572 600 600 700 626 800 652 900 679 1000 706 Tabla 32. Calores específicos para la superaleación NIMONIC 90 Temperatura

elevadas

6.1 NIMONIC 90 Esta es una aleación compuesta por Níquel (Ni), Cromo (Cr) y Cobalto (Co) reforzada por las adiciones de Titanio (Ti) y Aluminio (Al). La aleación se ha desarrollado para a través de tratamientos térmicos como el de maduración ser más resistente a la fluencia hasta temperaturas de 920 °C.

6.2 HASTELLOY B Es una aleación resistente al agrietamiento por corrosión con esfuerzo, resistente altas temperaturas, se puede endurecer por precipitación.

Tiene una alta resistencia. [19]

NO es bueno utilizar este material en presencia de sales férricas o cúpricas[22].

Esta aleación es utilizada en los alabes de turbina, discos, piezas forjadas, secciones de anillos y herramientas para trabajos en caliente.

Es un material resistente al ácido c lorhídrico en todas las concentraciones y a temperaturas ambientes y altas.

COMPOSICION QUIMICA             

Su principal aplicación es en los turbos de los motores a reacción [21].

0.13% máximo de C. 1% máximo de S. 0.2% máximo de Cu. 1.5% máximo de Fe. 1% máximo de Mn. 18% - 21% de Cr. 2% - 3% de Ti. 1%- 2% de Al. 15% - 21% de Co. 0.02% máximo de B. 0.015% máximo de S. 0.0020% máximo de Pb. 0.15% máximo de Zr.

Esta superaleación puede ser B1, B2 o B3. COMPOSICION QUIMICA         

PROPIEDADES FISICAS

 

Propiedad SI US Densidad 8.18 mg/m Lb/in Temperatura 1370 °C 2500 °C de Liquidus Temperatura 1310 °C 2390 °C de Solidus Coeficiente de 12.7 µm/m°C 7.1x10-6 in/in*°F Expansión Modulo de 213 kN/mm2 30894 Ksi Elasticidad Tabla 31. Propiedades físicas de la superaleación NIMONIC 90.

65% de Ni. 1.5% de Cr. 28.5% de Mo. 1.5% de Fe. 3% de Co. 3% de W 3% de Mn. 0.5% de Al. 0.2% de Ti. 0.1% de Si. 0.01 de C.

PROPIEDADES FISICAS Propiedad Unidades SI Densidad g/cm 9.24 Punto de °C 1340 - 1390 Fusión Tabla 33. Propiedades físicas de la superaleación Hastelloy B.

10


. PROPIEDADES MECANICAS

 

Propiedad Unidades SI Alargamiento % <60 Dureza Brinell 100-230 Impacto Izod J/m 42-100 Módulo de GPa 180-220 Elasticidad Resistencia a la MPa 600-980 Tracción Elongación & 40 Tabla 34. Propiedades mecánicas de la superaleación Hastelloy B.



1% de Mn. 1% de Si 0.008% de B.

PROPIEDADES FISICAS Propiedad Densidad Permeabilidad Magnética Calor Especifico Resistividad Eléctrica Punto de fusión

PROPIEDADES TERMICAS

Conductividad Térmica

Propiedad Unidades SI Coeficiente de Expansion 1/K 10.3 Termica @20100°C Conductividad W/mK 11.1 Térmica a 23°C Temperatura Máxima de C 769 utilización al aire Tabla 35. Propiedades térmicas de la superaleación Hastelloy B.

Coeficiente de expansión térmica Tabla 36.

Estructura Sheet 2.3 a 7.9 mm

Es una aleación de Níquel, Cromo, Hierro, Mo posee una alta resistencia a la oxidación, resistencia a las altas temperaturas.

Plate 9.5 a 50.8 mm

Es una aleación dúctil (lo que le permite trabajar en frio) después de ser tratada térmicamente en temperaturas de 1200, 1400 y 1600 °F por 16000 horas.


 

SI 385 109.5 45 92 339 743 51 89

Dentro de sus aplicaciones es una aleación en el ámbito militar y en la aviación comercial en las turbinas de gas de los motores o en las cámaras de combustión, también es usado en los ductos de transición y en los postquemadores [24].

Los principales elementos en esta superaleación son:



Propiedad Limite Elástico (MPa) Resistencia a la tracción (MPa) Elongación (%) Dureza Rockweel B Limite Elástico (MPa) Resistencia a la tracción (MPa) Elongación (%) Dureza Rockweel B

Es una superaleación de Cobalto, Níquel, Cromo y Tungsteno. Es una aleación que combina una excelente resistencia a altas temperaturas, presenta una buena resistencia a la oxidación en ambientes sobre los 2000°F. Tiene excelente resistencia a la solidificación gaseosa. Además de poseer buenas características con la soldadura, puede utilizarse para trabajar en caliente. Es una aleación dúctil, se recomienda utilizarla para trabajo en frio.

En cuanto a su uso, se utiliza con frecuencia en las turbinas a gas de los motores de combustión, se utiliza en componentes como ductos de transición, cámaras de combustión, revestimientos de llama o postquemadores, tubos de escape, calentadores para cabinas.



13x10-6 m/m°C

6.4 HAYNES 188

Esta aleación está disponible en forma de placas, tiras, barras, alambres, tuberías, entre otras.



486 J/kgK 118.36 µΩcm 1260 – 1355 °C A 21°C 9.1 W/mK A 200°C 14.1 W/mK A 704°C 22.9°C W/mK A 927°C 27.2 2/mK

Tabla 37

Tiene un excelente comportamiento con la soldadura.



15900 A/m


6.3 HASTELLOY X



SI 8.22 g/cm

47% de Ni. 22% de Cr. 18% de Fe. 9% de Mo. 1.5% de Co. 0.10% de C 0.6% de W.

COMPOSICION QUIMICA Los principales componentes superaleación son:

11

químicos

de

esta


.          

componentes y uniones eléctricas, para proteger de cortos, humedad, polvo, suciedades etc. La fibra de vidrio se caracteriza por:

39% de Co. 22% de Ni. 22% de Cr. 14% de W 3% de Fe. 1.25% de Mn 0.35% de Si. 0.1% de C 0.03% de La 0.015% de B

 

  

PROPIEDADES MECANICAS [25]

Aleación

Resistencia a la tensión a temperatura ambiente

Resistencia a la tensión a 1600°F

Haynes 188

960 MPa

420 MPa

La fibra de carbono es un material formado por fibras de 50-10 micras de diámetro y com puesto de átomos de carbono, los cuales están unidos entre sí en cristales que alineados en paralelo al eje longitudinal de la fibra , se caracteriza por  

Tabla 38.

 

VII. NO METALES La resina epoxi es muy versátil ya que posee un gran rango de propiedades         

Density (g/cm^3) Tabla 39.



0.30-0.64 (2.0-4.4) 8.5-23 (60160) 0.2-0.4 (10.621.2) 1.10-1.46

Tipos De Fibra De Carbono

Fibras De Alta Resistencia: Aplicación general en industria aeronáutica civil y parcialmente espacial y militar y de forma general en tejidos de refuerzo. Fibras De Módulo Intermedio: Utilización en la industria aeronáutica civil y militar para aplicaciones estructurales de alta responsabilidad estructural.

.

Polyester 6-13 (40-90)

Alta flexibilidad Alta resistencia Bajo peso Tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica

Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la ruptura. [18]

Humectación y adherencia óptima. Buen aislamiento eléctrico. Buena resistencia mecánica. Resisten la humedad. Resisten el ataque de fluidos corrosivos. Resisten temperaturas elevadas Excelente resistencia química Poca contracción al curar. Excelentes propiedades Adhesivas [20]

TensileStrength, ksi (MPa) Tensile Modulus of Elestacity , Msi (GPa) Flexural yield strength, Ksi (MPa) ImpactStrenght

Aislante térmico Resistente al desarrollo de hongo y humedad Dimensionalmente estable Material resilente No es inflamable [23]

Epoxy 8-19 (55130) 0.41-0.61 (2.8-4.2) 18.1 (125)

Fibras De Alto Módulo: Aplicación en la industria espacial para aplicaciones que requieran muy alta estabilidad térmica Generalidades Las funciones principales de la matriz en el material compuesto son las siguientes: Proporcionar cohesión entre fibras. Transmitir las cargas aplicadas al material compuesto Proteger las fibras de daño mecánico y del ambiente. Determinar la temperatura de servicio de material compuesto y controlar la resistencia 

0.1-1.0 (5.353) 1.2-1.3

 



Usado en componentes de material aeronáutico en el proceso de fabricación de piezas de fuselaje. Además cuando aparecen en el avión pequeñas grietas , desde conductos cercanos integrados de fibra de vidrio se verterá resina epoxi , la cual sellará el agujero. se comportan como óptimos aislantes eléctricos y se usan en muchos



del “composite” frente al medio ambiente y

agentes externos.

12


. Esta estructura es usada en el campo aeroespacial para construir pisos de aviones, alas con misiles , cubiertas de ventilador, depósito de combustible, componentes del fuselaje entre otros debido a su resistencia a las flamas , excelente resistencia a la humedad y corrosión , en base a una relación de bajo peso y gran fuerza [26]

Fibra

Figura 3: Diagrama fibra de carbono [6]

descripción

Aramida

Excelente resistencia a las flamas ( se autoextingue ), aislante térmico y eléctrico de gran dureza y rendimiento a la fatiga y la fluencia . Baja densidad

Excelente resistencia a la corrosión y a la humedad , resistencia a las flamas y hongos. Acero inoxidable

Termoplastico

Fabricada con policarbonato con un nucleo único , haciendo mas uniforme sus propiedades para paneles de sandwich , tuneles de viento

Figura 4: Modulo de deformación vs resistencia a la tracción EL KEVLAR 29. Se usa típicamente como refuerzo en tiras por sus buenas propiedades mecánicas, o para tejidos, sus fibras están tratadas superficialmente para favorecer la unión con la resina, compuesto de poliamidas con grupos aromáticos que generan interacciones de hidrogeno entre las amidas de baja densidad, alta resistencia y módulo elástico, se utiliza para reforzar plásticos de materiales compuestos para aplicaciones aeroespaciales, marina, automoción y otras aplicaciones industriales. También ofrecen alta resistencia térmica y resistencia. Se utilizan generalmente en interruptores y controles, en dieléctricos, etc. [21]

Figura 5 Representación de un honeycomb [29]

HONEYCOMB Son estructuras que tienen la geometría de un panal para permitir minimizar la cantidad de material para alcanzar el peso mínimo y el costo mínimo de material, provee buenas propiedades de compresión y cortante puede tener fabricación de tipo  

Figura 6. Uso honeycomb de un avión [27]

Metálico : Aluminio , acero inoxidable , titanio No metálicos : fibra de vidrio, Nomex, papel Kraft

13


. MADERA[32] Para la clasificación de las maderas se debe tener en cuenta

5 CONCLUSIONES

Propiedades mecánicas: Especificadas mediante la denominación de la especie y su calidad, haciendo referencia la norma de clasificación correspondiente al país de procedencia



Dimensiones nominales: Deducidas a partir del cálculo para las piezas de madera y los elementos de conexión. Contenido de humedad: Como norma general se debe especificar un contenido de humedad en la madera no superior al 18 % o 20 % y, si es posible, lo más cercana Posible a la humedad media de equilibrio higroscópico correspondiente a la ubicación de la obra.

El estudio de los materiales tradicionales, avanzados, biomateriales y nanomateriales; su procesamiento y caracterización, así como la modificación de propiedades para generar nuevos materiales compuestos es de gran importancia en el sector aeronáutico ya que siempre se buscan encontrar las mejores relaciones entre, costos, peso y características aptas para una determinada estructura.

6 REFERENCIAS

Pino Spruce [1]. Kalpakjian, S., & R. Schmid, S. (2002). Manufactura, ingeniería y tecnología. Pearson Educación.

Propiedades Mecánicas -Resistencia a flexión estática: 860 kg/cm2 -Módulo de elasticidad: 128.000 kg/cm2 -Resistencia a la compresión: 525 Kg/cm2 -Resistencia a la tracción paralela: 930 Kg/cm2.

[2] El aluminio aleado y sus aplicaciones en aeronáutica . (n.d.). Recuperado el 31 de Agosto de 2013 en http://www.aero.ing.unlp.edu.ar/catedras/archivos/Apunte de Aluminio11.pdf

Mecanización -Aserrado: Fácil, salvo si tiene exceso de resina. -Secado: Fácil y rápido y deformaciones. Exudaciones de resina. -Cepillado: Fácil. Riesgo de embotamiento de resina. -Encolado: Problemas si existe exceso de resina. -Clavado y atornillado: Necesita pretaladros. -Acabado: Problemas cuando exista resina. Conviene aplicar un fondo que homogenice la madera.

[3]. Poveda, S. (n.d.). Elementos de fijación en estructuras aeroespaciales. (Master's thesis) Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://ocw.upm.es/expresion-grafica-enla-ingenieria/ingenieria-grafica-metodologias-de-diseno-paraproyectos/Teoria/LECTURA_COMPLEMENTARIA/UNIONES/el ementos_de_fijacion_aeroespaciales.pdf [4] Luminum propiedades mecánicas de nuestras aleaciones de aluminio. (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://www.luminum.com/es/data/dmechprop.html

Pino Hemlock

[5] Aerospace specification metals . (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://asm.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnu m=MA2024T3

Descripción de la madera -Albura: Ligeramente más blanca que el duramen -Duramen: Marrón claro -Fibra: Recta, a veces algo ondulada -Grano: Medio a basto -Defectos característicos: Nudos pequeños saltadizos.

[6] Srinivasan, S. Fatigue of materials: Advances and emergences in understanding . Wiley. Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://books.google.com.co/books?id=5cJUTaRUpPUC&pg=P A340&dq=ALUMINIUM 2224 T3&hl=es419&sa=X&ei=TLUjUrv2HLi1sASm2oGQBQ&ved=0CGoQ6AE wCA

Propiedades físicas -Densidad aparente al 12% de humedad – 0,48 kg/m3 madera ligera -Estabilidad dimensional Coeficiente de contracción volumétrico – 0,41 % madera -estable Relación entre contracciones – 1,75% sin tendencia a atejar -Dureza (Chaláis-Meudon) – 1,4 madera blanda

[7]

Propiedades mecanicas de los aluminios . (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://www.luminum.com/es/data/dmechprop.html

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Propiedades mecánicas Resistencia a flexión estática – 780 kg/cm2 Módulo de elasticidad – 108.000 kg/cm2 Resistencia a la compresión – 450 kg/cm2[10]

[9] Aluminio 6061-t6 . (n.d.). Recuperado el 31 de Agosto de 2013 en http://www.professionalplastics.com/professionalplastics/Alu minum6061DataSheet.pdf

14


. [10] Aluminio 7075 . (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://www.aluminiosymetalesunicornio.com.mx/7075.ht ml

[27] Grupo quimica organica 3. (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://quimorg3.blogspot.com/2008/11/ventajas-ypropiedades-de-las-resinas.html [28] Fibra de vidrio, notas tecnicas . (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://www.fiberglasscolombia.com/imagenes/notas1/NOTA TECNICA CONFORT ACUSTICO.. Y EL MITO DE LA DENSIDAD.pdf [29] Tecnología de los plásticos . (n.d.). Recuperado el 1 de Septiembre de 2013 enhttp://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/11/fibrade-carbono.html [30] Sánchez, J. (n.d.). Materiales compuestos en la industria aeronautica.

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15


.

16

Taller 2 Materiales

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