UNIDAD VI Aleaciones ligeras Una transformación de fase, de gran importancia económica en la industria de los motores a reacción y que preocupa mucho a todos los que viajan en avión, se relaciona con la producción de los álabes de las turbinas de los motores a chorro. En la sección de turbina de un motor, se quema una mezcla de combustible y aire, a temperaturas mayores de 1500 °K.

Esto causa una expansión rápida de los gases, parte de cuya energía es convertida en rotación del motor por los álabes de la turbina. La rotación de las aspas del compresor presiona al aire en la parte delantera del motor, y lo hace pasar hacia atrás, donde participa en la combustión y el ciclo continúa. Los álabes de la turbina trabajan bajo condiciones muy drásticas: las temperaturas son muy altas, el medio de la combustión es en extremo corrosivo y los esfuerzos son muy grandes. Casi la única clase de materiales que puede resistir esas condiciones es la de las llamadas superaleaciones o aleaciones ligeras en este caso, a base de níquel, que en los términos más sencillos consisten en una microestructura de una matriz CCC (en esencia de Ni con otros elementos) y partículas de Ni3AITi.

Al igual que la mayor parte de los metales, estas aleaciones a base de Ni se usaron en su forma policristalina. Sin embargo, los límites de grano son zonas donde se presentan deformaciones excesivas y ataque químico (oxidación), y como tales son sitios preferenciales de fractura. La fractura de los álabes de estas turbinas representa un riesgo inaceptable, por los daños que se pueden ocasionar al motor. Así, las condiciones de funcionamiento (esfuerzos y temperaturas) tuvieron que ser mantenidas en valores relativamente bajos al usar los álabes de turbina policristalinos.

Especial mente, se desea eliminar los límites de grano normales al esfuerzo aplicado, porque son los sitios que se atacarán de preferencia. El desafío para la industria de los motores a reacción era eliminar esos límites, y con ello permitir mayores temperaturas y esfuerzos en funcionamiento. Se logró lo anterior mediante la extracción direccional de calor. Por tanto, en lugar de permitir que los álabes se solidificaran libremente con formación de muchos granos orientados al azar, se les extrajo calor en una dirección.

Aleaciones en las aeronaves El transporte aéreo para su construcción, utiliza diferentes materiales, principalmente aleaciones de aluminio entre otras. A través de la investigación en la documentación más reciente, el presente trabajo pretende recoger de manera abreviada y concisa los conceptos más importantes relacionados con su clasificación, aplicación y consumo en general y de esta manera tener presente la tendencia sobre la utilización de los materiales en la industria aeronáutica. El diseño de aeronaves requiere de materiales que cumplan las siguientes características: Excelente resistencia específica. Bajo costo de manufactura Elevada duración y extensión de la vida del material. Adecuada para trabajar en condiciones ambientales extremas. Se sabe que el material mas empleado son las aleaciones de aluminio debido a la gran resistencia que se desarrollan en estas; gracias al fenómeno de endurecimiento por envejecido o precipitación, descubierto accidentalmente por Alfred Wilm en la Ciudad de Berlín en 1906, y que a causa de este descubrimiento, se desarrollaron aleaciones entre ellas el duraluminio y que, inmediatamente, se utilizó en Alemania para secciones estructurales de la aeronave. En principio, para aprovechar su flexibilidad, las aleaciones de aluminio tratadas o trabajadas han sido los materiales de mayor aplicación en construcción de las aeronaves, las cuales han estimulado el desarrollo de nuevas aleaciones. Así también, la aplicación del magnesio y las aleaciones de titanio; ofrecen nuevas alternativas en su empleo donde se requieren nuevas propiedades. Importancia del aluminio en al industria aeronáutica Desde la antigüedad, la aplicación de los metales para el desarrollo humano siempre ha ido a la vanguardia, debido a que el hombre desde que descubrió su existencia no ha podido prescindir de ellos. Claro es el ejemplo de esto; cuando la historia del hombre ha nombrado a dos etapas en honor al metal, que se empleaba; la edad de hierro y la edad de bronce. Si pudiéramos resumir la historia moderna de esta manera, podemos decir que eh hombre ha vivido en estos días las edades del acero y el aluminio respectivamente. El acero, desde la revolución industrial. Ha extendido su uso en cualquier aplicación que incluya desde utensilios de cocina hasta estructuras de transportes aerospaciales. El aluminio por su parte, entró a la escena mundial, cuando la industria aeronáutica se consolidó como una de las más poderosas tanto del mercado como de la investigación. Es por ello que este segundo metal debe ser explicado y tratado ampliamente gracias a que ha sido el bastión principal en el estudio de materiales, específicamente en esta área. El aluminio es un metal que posee como característica primordial una elevada resistencia específica. La resistencia específica es un parámetro que mide la resistencia que posee un material por unidad de masa. En este caso el aluminio presenta una gran resistencia a la vez que su densidad es de las más pequeñas dentro de los metales maquinables. Para poder magnificar la importancia de estos renglones, se puede citar que si existiesen en un experimento, dos probetas, una de acero y otra de aluminio y se les aplicara una carga; se vería que bajo ciertas condiciones, presentan la misma resistencia; sin embargo la densidad del aluminio es la tercera parte del valor de la del acero; por lo que se concluye la razón por la cual es empleado en al industria aeronáutica: resiste igual, pesa menos.

El duraluminio fue el precursor de la serie de aleaciones del aluminio, incluyendo las aleaciones 2014 y la 2024, que son usadas actualmente. El otro grupo de aleación principal de aplicación aeronáutica es la serie 7XXX. Ambas clases se consideran junto con las aleaciones que contienen litio, últimas que han sido desarrolladas por su excelente relación resistencia-peso, como una posible sustitución de materiales. La selección de materiales para aplicaciones estructurales en las aeronaves, dependen principalmente de varias prevenciones, numerosos cálculos y algunos requerimientos de funcionalidad, por lo que es útil entender que esta materia engloba diversos conocimientos, que deben ser utilizados de manera correcta para poder llegar a un buen resultado.

Componentes de la aeronave Tipo de aleación Piel del fuselaje 2024-T3, 7075-T6, 7475-T6

Largueros del fuselaje 7075-T6, 7075-T73, 7476-T76, 7150-T77 Recuadro de contención del fuselaje 2024-T3, 7076-T6, 7050-T6

Piel superior del ala 7075-T6, 7150-T6, 7055-T77 Larguero superior del ala 7075-T6, 7150-T6, 7055-T77

Piel inferior del ala 2024-T3, 7475-T73 Larguero inferior del ala 2024-T3, 7075-T6, 2224-T39

Costillas y fuselaje 2024-T3, 7075-T6, 7175-T73 Empenaje 2024-T3, 7010-T76, 7150-T77

Elementos sustentadores 2024-T3, 7075-T6, 7050-T76 Tabla 6.1 Aleaciones de aluminio utilizadas en una aeronave. Por otra parte, para el borde de ataque fijo del ala, el estabiIizador vertical y las vigas, entre otros elementos; las aleaciones deben reunir los siguientes requisitos para que desempeñen un óptimo trabajo. Resistencia a la corrosión Resistencia al esfuerzo en compresión (CYS) Modulo de elasticidad elevados (E). Resistencia a la fatiga (FAT) Requerimientos de diseño. Desarrollo de fractura por fatiga, (FCG) Resistencia a la fractura tenaz (FT) (Fracture Toughness) Resistencia al corte, (SS) (Shear Strength) Resistencia a la tensión, (TS) (Tensile Strength).

Figura 6.1 Aleaciones de aluminio y sistemas para la designación de su nombre de acuerdo a su tratamiento.

Las zonas o áreas de la aeronave que requieren de estas propiedades mecánicas son las siguientes: Figura 6.2 Propiedades requeridas en diferentes zonas estructurales para una aeronave de pasajeros. En los últimos años, la industria del aluminio ha canalizado sus esfuerzos en una fuerte competitividad para buscar alternativas de nuevos materiales ligeros y mejorar la relación resistencia-peso, un ejemplo de esto, son los compuestos orgánicos de fibra reforzada. A medianos de 1980, se pronosticó que el contenido de aluminio en una aeronave de pasajeros disminuiría de un 80% a menos del 50%, asimismo, también se pronosticaron cambios drásticos para las aeronaves militares. Sin embargo, la utilización de los materiales compuestos ha sido menor a lo esperado, por ejemplo, en la reciente aeronave Boeing 777 se utiliza el 70% de aleaciones de aluminio en su estructura comparado con une 78-81% en la aeronave a la que sucedió. La situación es similar en las aeronaves europeas. Como lo hemos llevado a cabo dentro del texto; sobre el aluminio, se irán descubriendo sus características y propiedades a partir de sus aleaciones ligeras, fin último y de vital importancia como se citó anteriormente.

Estado natural El aluminio no se encuentra nativo en la naturaleza, pero en combinación con otros elemntos, en forma de compuestos, sales y minerales, abunda en al corteza terrestre, ocupando un 7.85% de la misma. Los principales minerales en que se encuentra son: Oxido de aluminio o alúmina Al2O3 Ortohidróxido de aluminio o hidrarginita Al(OH)3 . Pirohidróxido de aluminio o bauxita Al2O5H4 Motohidróxido de aluminio o diásporo AlO2H Fluoruro doble de aluminio y sodio o alunita A1F3NaF Sulfato de aluminio y potasio o alunita KAl(SO4)2 Propiedades Físicas Es un metal blanco, algo azulado, muy ligero, tenaz, dúctil y maleable, conduce bien el calor y la electricidad. Su densidad es 2.6 gr /cm² cuando está recocido; pero aumenta a 2.7 gr/cm² en estado agrio o en presencia de impurezas (Fe, Cu). Se puede clasificar al aluminio entre los metales más ligeros debido a que su peso atómico es 26.97 gr / grmol. Las propiedades térmicas del mismo se resumen en su calor específico 0.22 y su conductividad térmica de 36; por eso es muy utilizado para utensilios de cocina. La conductividad eléctrica es de un 60%. Su resistividad es de 2.82 μΩ/cm. Su temperatura de fusión es de aproximadamente 650 °C. Obtención del aluminio Se obtiene por electrólisis de una mezcla de criolita y bauxita fundidas en un horno eléctrico. Por el calor la criolita se disocia; AlF33NaF AlF3 + 3NaF. y el fluoruro de aluminio deposita el en el cátodo con la reacción; 2AlF3 3F2 + 2Al. al mismo tiempo la bauxita, por el calor pasa como óxido. Al2O5H4 2H2O + Al2O3 Este óxido reacciona con el flúor que deja la criolita y produce más fluoruro de aluminio. Al2O3 + 3F2 2AlF3 + 1.5 O2. .

El oxido reacciona con el carbón del electrodo y da 1.5O2 + 3C 3CO Características químicas La división del aluminio en categorías; esta basada en la mayor o menor cantidad de impurezas que acompañan a este metal. Las impurezas son

1. Fierro y silicio 2. Carburos, sulfuros, cobre, zinc, estaño, sodio, nitrógeno, boro, titanio 3. Aluminio

En la obtención del aluminio, los electrodos en especial el ánodo es el principal causante de las impurezas en el aluminio. Los ánodos pueden estar hechos con coke o carbón de retorta. El alquitrán es el aglomerante o aglutinante. Categorías del aluminio 1ª Aluminio de 99.5% de pureza, es decir el Fe y Si, componen el 0.5%. 2ª Aluminio 99%; de igual manera; Fe y Si con 1% de la composición. 3ª Aluminio de 98%, el Fe y Si representan el 2% faltante. Características mecánicas Estas son variables con la acritud (resistencia originada en los metales al trabajarlos en frio), y se presenta bajo 2 aspectos. a) Acritud intermedia de fabricación; eliminable por un recocido final. b) Acritud de estado final; en el producto fabricado. Estado intermedio: Bajo el primer aspecto, la utilización de acritudes elevadas del rango de 200- 300% presenta ventajas reales, aumenta de una manera general el valor de las propiedades mecánicas después del recocido completo. Estado Final: Bajo el segundo aspecto, la acritud esta lejos de ser recomendable y particularmente en la industria aeronáutica; en este estado físico; no aparece como un estado estable de material y debe evitarse.

Aleaciones de aluminio forjadas Son usadas exclusivamente en la construcción aeronáutica. Aparte de los herrajes que soportan cargas concentradas; la estructura general del aeroplano como se construye en nuestros días es de aluminio. El antecedente de este material, se debe a su bajo peso y alta resistencia, fácil fabricación y al hecho de que se encuentra en el mercado en todas las formas tipo. Su peso atómico es 1/3 del peso del acero y se puede obtener con una resistencia a la ruptura de 45.2 kg/mm². Se le encuentra en varios estados y formas, por lo que se puede seleccionar el más adecuado para cualquier aplicación particular. Estas aplicaciones varían desde las cubiertas de motor de automóvil (carter superior) de formas especiales que requieren un material dúctil; hasta las vigas de ala; altamente resistentes y que soportan grandes esfuerzos. Nomenclatura Dado que es un reducido número de aleaciones el que se emplea en aeronáutica por ser las aleaciones mejor estudiadas; así como por las razones que hemos dado para los otros materiales aquí nos referiremos a la nomenclatura norteamericana para identificar las diversas aleaciones. Si ese número esta seguido de la letra S, indica una aleación forjada. Las aleaciones fundidas se designan por un número sin la S. En algunos casos una letra procede el número de las aleaciones. Esta letra indica que esta aleación tiene una composición química ligeramente diferente de la liga normal. Aleaciones agrupadas por contenido de elementos de aleación Elemento principal de aleación Nomenclatura (AAA) Aluminio puro comercial (99%) 1XXX Cobre 2XXX Manganeso 3XXX Silicio 4XXX Magnesio 5XXX Magnesio-Silicio 6XXX Zinc 7XXX Otros elementos 8XXX

Tabla 6.2 Aleaciones agrupadas por mayoría de elementos de aleación.

Nomenclatura (ALCOA)

Nomenclatura (AAA)

Componentes

2S 1002 (1) Aluminio, (0) sin modificación, (02) aleación 2S 3S 3003 (3) Mangneso, (0) sin modificación, (03) aleación 3S 4S 3004 (1) Manganeso (0) sin modificación, (04) aleación 4S

11S 2011 (1) Cobre, (0) sin modificación, (11) aleación 11S 14S 2014 (1) Cobre, (0) sin modificación, (14) aleación 14S 17S 2017 (1) Cobre, (0) sin modificación, (17) aleación 17S

A17S 2117 (1) Cobre, (0) sin modificación, (A17) aleación A17S 18S 2018 (1) Cobre, (0) sin modificación, (18) aleación 18S 24S 2024 (1) Cobre, (0) sin modificación, (24) aleación 24S 35S 2025 (1) Cobre, (0) sin modificación, (25) aleación 25S 32S 4023 (4) Silicio, (0) sin modificación, (32) aleación 32S

A51S 6151 (6) Magnesio-Silicio, (1) con modificación, (51) aleación 51S 52S 5052 (5) Magnesio, (0) sin modificación, (52) aleación 52S 53S 6053 (6) Magnesio-Silicio, (0) sin modificación, (53) aleación 53S 56S 5056 (5) Magnesio, (0) sin modificación, (56) aleación 56S 70S 7070 (7) Zinc, (0) sin modificación, (70) aleación 70S 75S 7075 (7) Zinc, (0) sin modificación, (75) aleación 75S

Tabla 6.3 Principales aleaciones según la serie ALCOA.

Aleaciones fundidas y para forja Tratamiento superficial (envejecido) 1XXX Aluminio comercial puro (99%) No envejecido 2XXX Al-Cu Endurecible por envejecimiento 3XXX Al-Mn Algunas son endurecibles por envejecimiento 4XXX Al-Si Algunas son endurecibles por envejecimiento 5XXX Al-Mg No envejecido 6XXX Al-Mg-Si Endurecible por envejecimiento 7XXX Al-Zn Endurecible por envejecimiento 8XXX Al-Sn Endurecible por envejecimiento

Tabla 6.4 Designación del tratamiento superficial para las aleaciones de aluminio.

Aleación Resistencia a la tensión

(psi)

Esfuerzo de fluencia

(psi)

Elongación

(%)

Aplicaciones

Aleaciones para forja no tratables 1100-O

(99% Al) 13000 5000 40 Componentes

eléctricos, hojas. 1100-H18 24000 20000 10 Hojas metálicas

finas 3003-O

(1.2% Mn)

16000

6000

35

Resistente a la corrosión,

estructuras. 3003-H18 29000 27000 7 Latas y envases

4043-O (5.2% Si)

21000 10000 22 Estructuras arquitectónicas

5056-O (5.1% Mg)

42000

22000

35

Metales de relleno en soldadura

5056-H18

60000

50000

15

Recipientes, componentes

navales. Aleaciones para forja tratables térmicamente

2024-O (4.4% Cu)

27000 11000 20 Transportes, aeronáutica,

astronáutica y otras aplicaciones de alta

resistencia

2024-T4 68000 47000 20 4032-T6 (12% Si)

55000 46000 9

6061-T6 (1% Mg 0.6% Si)

45000 40000 15

7075-T6 (5.6% Zn)

83000 73000 11

Aleaciones para fundición 295-T6

(4.5% Cu) 27000 18000 2 Colado en arena

319-F (6% Si)

34000 19000 2.5 Colado en molde permanente

356-T6 (7% Si)

38000 27000 5 Colado en molde permanente

380-F (8.5%Si)

41000 35000 1 Colado de cosquilla

443-F (5.3% Si)

19000 8000 8 Colado en aren

713-T5 (7.5%Zn)

30000 22000 4 Arena

Tabla 6.5 Propiedades de algunas aleaciones de aluminio.

Figura 6.3 Diagrama binario de fases de la aleación Al-Cu, de extendido uso industrial, principalmente aeronáutico. Figura 6.4 Micrografía de una aleación Al-Cu (2014). a) Probeta con precipitados homogéneos. b) Probeta con precipitados nucleados heterogéneamente a) b) Clasificación de las aleaciones forjadas Se pueden clasificar en dos grupos; tratados posdeformación en frío, o tratados térmicamente. En los endurecidos por deformación las propiedades físicas se mejoran solamente por trabajo en frío,

mientras que en .el grupo de las que se pueden tratar térmicamente, el calentamiento es el proceso que las mejora. Las aleaciones endurecidas por deformación no responden a ningún tratamiento térmico, que no sea un suavizado por recocido. Los dos estados externos en los que se pueden obtener todas las aleaciones endurecidas por deformación son: el estado suave de recocido y el completamente duro. El último estado se produce por trabajo en frío del metal al máximo que es práctico y comercial. Las aleaciones que se pueden tratar térmicamente se pueden obtener desde suaves recocidos hasta temples extremos. Algunas aleaciones tienen un tratamiento intermedio. Se obtienen resistencias mayores en las aleaciones que se pueden tratar térmicamente que en las aleaciones endurecidas por deformación. Por, consiguiente se usan para fines estructurales en aviación, prefiriéndolas sobre las endurecidas por deformación. Aleaciones de aluminio ALCLAD Alclad (formado de la contracción de la palabra aluminio y clad, vestidura o cubierta), es el nombre dado a aleaciones tipo, tales que se les ha puesto una cubierta delgada de aluminio de alta pureza. Debido a que ese aluminio puro es mucho muy resistente a la corrosión, protege a la liga emparedada entre las capas de la superficie. No necesita pintura protectora contra la corrosión Alclad, a menos que estén sujetos a muy severas condiciones de servicio; un ejemplo, los flotadores de hidroavión. Un espesor dado de Alclad, no será tan fuerte como el espesor de la aleación ordinaria pues la reducción de resistencia es del orden de 8-10% aproximadamente. No obstante, los Alclads, tienen gran ventaja en relación a la resistencia ya que a través del tiempo esta se conserva. Las aleaciones ordinarias, aunque protegidas por pintura pueden perder una gran cantidad de su resistencia y casi toda su ductilidad después de años de servicio severo. La retención de la resistencia tiene mucha importancia en las secciones delgadas dadas en la construcción aeronáutica.

Figura 5.5 Micrografía de la aleación Alclad 24ST, de aplicación aeronáutica. Tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio. Hay dos tipos de tratamiento térmico aplicables a las aleaciones de aluminio: Tratamiento térmico de solución. Tratamiento térmico de precipitación. El tratamiento térmico de solución se llama así porque durante el, los elementos de liga constituyentes entran en solución sólida en el aluminio. Se ha encontrado que estos elementos de aleación que aumentan la resistencia y dureza son más solubles en aluminio sólido a las altas temperaturas. Después el metal es mantenido a una alta temperatura por un tiempo suficiente para completar la solución y se le templa rápidamente en agua fría para retener esta condición. El tratamiento térmico de precipitación consiste en envejecer el material sujeto previamente al tratamiento térmico de solución manteniéndolo a una temperatura elevada por un periodo de tiempo bastante

largo. Durante el tratamiento una porción de los constituyentes de la liga en solución sólida, se precipitan. El tiempo de calentamiento comienza a contarse cuando la temperatura del baño haya alcanzado la temperatura mínima del tratamiento térmico, después de introducir la carga al horno.

Espesor del material Baño de Sal (500-510 °C) Fijación dentro del horno (490-500 °C)

1/16-1/32” 10 min 30 min 1/16 -⅛” 25 min 30 min ⅛ - ¼ “ 35 min 45 min ¼ - ½ “ 90 min 90 min ½ -1” 120 min 120 min

Tabla 6.6 Tiempo recomendado para el calentamiento de material en un horno de aire.

Aleaciones

Tratamiento térmico de solución Tratamiento térmico por precipitación Temperatura Temple Estado Temperatura Tiempo de

envejecimiento Estado

17S 500-510 °C Agua fría Ambiente 4 días 17ST 24S 490-500 °C Agua fría Ambiente 4 días 24ST 25S 515-525 °C Agua fría 25SW 142-174 °C 12 días 25ST

A25S 515-525 °C Agua fría A51SW 157-162 °C 18 días A51ST 53S 515-525 °C Agua fría 53SW 157-162 °C 18 días 53ST

Tabla 6.7 Tratamiento térmicos en las aleaciones de aluminio y sus características. Aleaciones endurecidas por deformación o acritud Las aleaciones endurecidas por deformación que se consiguen en el comercio son 2S, 3S, 4S, 52S. Todas estas aleaciones se usan ordinariamente en la construcción aeronáutica pero no se utilizan para fines de estructuras primarias porque su resistencia no es tan alta como otros materiales que pueden aprovecharse. No obstante pueden doblarse bien, contornarse, soldarse y por estas razones ser utilizadas para tanques, cubiertas y enlaces de superficie. Las aleaciones endurecidas por deformaciones por no pueden ser tratadas térmicamente para mejorar sus propiedades solo pueden obtenerse por tratamiento en frío en la fabricación o conformación de estos materiales Se endurecen demasiado sí se trabajan severamente y es necesario entonces suavizarlos antes de proseguir. El suavizado debido a la recristalización es prácticamente instantáneo sí se calienta a una temperatura suficiente.

Liga y estado

Resistencia máxima a la

tensión (psi)

Resistencia de cedencia

(psi)

Alargamiento

(%)

Dureza Brinell

Resistencia

al corte

(psi)

Resistencia a

la fatiga

(psi) Serie 2

2SO 13000 4000 35 23 9500 5000 2S1/4H 15000 13000 12 28 10000 6000 2S1/2H 17000 14000 9 32 11000 7000 2S3/4H 20000 17000 6 28 12000 8000

2SH 24000 21000 5 44 13000 8500 Serie 3

3SO 16000 5000 30 28 1000 7000 3S1/4H 18000 15000 10 35 12000 8000 3S1/2H 21000 18000 5 40 14000 9000 3S3/4H 25000 21000 8 47 15000 9500

3SH 19000 25000 4 55 16000 10000 Serie 4

4SO 26000 10000 20 45 16000 140000 4S1/4H 31000 25000 6 55 17000 14000 4S1/2H 35000 31000 5 64 19000 15000 4S3/4H 39000 35000 3 73 21000 15500

4SH 42000 38000 3 80 23000 16000 Serie 5

52SO 29000 14000 25 45 18000 17000 52S1/4H 34000 26000 12 62 19000 18000 52S1/2H 37000 29000 10 67 21000 19000 52S3/4H 39000 34000 8 74 23000 20000

52SH 41000 36000 7 85 24000 20500

Tabla 6.8 Aleaciones de aluminio endurecidas por acritud con sus propiedades mecánicas. Propiedades de trabajo de las aleaciones deformadas en frío Cuando se ha escogido el estado correcto, todas las aleaciones con acritud (endurecidas por deformación) pueden ser trabajadas satisfactoriamente a la forma deseada para su uso en aeronáutica. El más fácil de conformar ya sea por estirado, trefilado o estampado es el material 2S. Solo ligeramente más dificil de conformar es el material 3S y tiene menores propiedades físicas. Las cualidades de flexión son de importancia real, y se definen por su radio de acción. Estos radios de doblez variarán en cierto modo con las herramientas usadas, la operación particular de que se trate y la técnica empleada.

Aleación

Espesor Aproximado (t) 0.016 0.032 0.064 0.128 0.189

Serie 2 2SO 0 0 0 0 0

2S1/4H 0 0 0 0 0-t 2S1/2H 0 0 0 0 0-t 2S3/4H 0 0 0-t ½-3/2t t-2t

2SH 0 ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2t-4t Serie 3

3SO 0 0 0 0 0 3S1/4H 0 0 0 0 0-t 3S1/2H 0 0 0-t 0-t 0-t 3S3/4H 0-t 0-t 12-3/2t t-2t 3/2-3t

3SH ½-t ½-2t 3/2-3t 2-4t 3-5t Serie 4

4SO 0 0 0 0 0 4S1/4H 0 0 0-t ½-2t 1-2t 4S1/2H 0-t ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2-4t 4S3/4H t-2t ½-3t 2-4t 3-5t 4-6t

4SH 3/2-3t 2-4t 3-5t 4-6t 4-6t Serie 5

52SO 0 0 0 0 0 52S1/4H 0 0 0 0-t 0-t 52S1/2H 0 0 0-t ½-3/2t t-2t 52S3/4H 0-t ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2-4t

52SH ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2-3t 3-5t

Tabla 6.9 Radios aproximados para flexión a 90° en frío. Figura 6.6 Fotomicrografías de una sección transversal de una aleación colada de aluminio.

a) Sin refinador de grano b) Con refinador de grano

a) b)

a) b) Figura 6.7 Influencia de la cantidad de deformación sobre la estructura granular de una aluminio 1100. a) Microestructura inicial; b) Después de reducir 25% por laminado en frío. a) b) Figura 6.8 Un par de muestras de aleación de aluminio y cobre, mostrando la influencia de la composición sobre la cantidad de eutéctico. a) Al, con 2% Cu; b) Al, con 5% Cu. Obtención de las aleaciones deformadas en frío Las aleaciones de aluminio se manufacturan en siete formas, que pueden adquirirse. En la actualidad es posible obtener las aleaciones de aluminio endurecidas por deformación en las siguientes formas:

Forma 2S 3S 4S 52S Lámina X X X X Placa X X X X

Varillas X X X Alambre X X X

Piezas estiradas a presión

X X

Tubos X X X X Remaches X X

Tabla 6.10 Formas tipo de aleaciones endurecidas por deformación en frío.

Se llama lámina cuando el espesor es de ¼” o menor; es placa arriba de ¼”. La lámina puede ser obtenida

solamente hasta 0.162" de grueso en el estado ¾H, hasta 0.128” de grueso en estado completo H. El material en barras es semejante a las placas; pero se obtiene desde 3/8" hasta 3/2" de diámetro. La barra redonda laminada se obtiene hasta de 8" de diámetro. El alambre se puede obtener estirando desde el calibre N° 36, hasta 3/8" de diámetro. El tubo se obtiene prácticamente en todos los diámetros y espesores de pared. Aplicaciones de las aleaciones deformadas en frío Se usan comúnmente en la construcción aeronáutica para cubiertas de motor, superficies de enlace, tanques, conductores eléctricos y conductos de combustible. Las siguientes aleaciones y estados han sido usados sucesivamente para los fines descritos;

Aleación Aplicaciones 3S1/2H Tanques soldados y cubiertas generales de motor.

4SO Anillos cubiertos de motor sujetos a operaciones severas de conformación. 52SO, 52S1/2H Cubiertas y enlaces sujetos a vibraciones continuas

2S1/2H Tubos para conductores eléctricos 52SO Tubos para canalizaciones de aceite y combustible 3SO Anillos, cubiertas y otras partes a las que se de forma rechazada en torno

. Tabla 6.11 Aplicaciones de las aleaciones de aluminio deformadas en frío.

Tratamiento térmico de los remaches de aleaciones de aluminio. Los remaches que se hacen de aleación 17S se usan ordinariamente en la construcción aeronáutica. Estos remaches de alta resistencia puede ser identificados por un golpe marcado cada en la cabeza del remache. El tratamiento térmico actual de los remaches es semejante al descrito anteriormente para el material estructural pero la técnica empleada es bastante diferente dadas las pequeñas dimensiones de los remaches y las grandes cantidades que deben ser manufacturadas. Con el objeto de comprobar el tratamiento térmico y envejecimiento de los remaches, se acostumbra verificar la dureza de algunos remaches de cada hornada después de que se hayan envejecido 24 hrs. Cuando se prueben con maquinas Rockwell usando la esfera de 1/16" y 60 kilogramos de carga, la espiga del remache debe mostrar la dureza mínimas siguientes:

Diámetros Dureza Rockwell 3/32 “ 73 1/8 “ 75

5/32 “ 78 3/16 “ 82

¼ “ 83

Tabla 6.12 Dureza mínima de los remaches de aluminio utilizados en manufactura aeronáutica.

Aleaciones de aluminio tratables térmicamente. Hay muchos tipos de aleaciones que se pueden adquirir en el comercio pero no todas ellas han encontrado aplicación en la construcción aeronáutica. Las dos más comunes que se utilizan en algunas ocasiones son 14S, 25S, y 53S. Los Alclad 17S y 24S, están siendo usadas generalmente en construcción aeronáutica. En los trabajos de aeronáutica se utiliza únicamente el estado de tratamiento térmico completo. La estructura de muchos aeroplanos construidos hoy en día, contienen ambos materiales. Obtención en el mercado Las aleaciones antes citadas pueden obtenerse prácticamente en todas las formas tipo, mientras que otras combinaciones, solo pueden conseguirse como piezas de forja La lámina usada en trabajo de aeronáutica usualmente mide 1 * 2ft, ya que se emplea para la fabricación de herrajes pequeños. La varilla y barra redonda pueden obtenerse hasta de 8” de diámetro. Las barras pueden laminarse a una sección máxima de dimensiones de 3x10". Las barras de 10" de ancho se usan a menudo en vez de la placa para herrajes. Los tubos se encuentran en muchos diámetros y formas currentilíneas.

Aleación

Resistencia máxima a la

tensión (psi)

Resistencia de cedencia

(psi)

Alargamiento

(%)

Dureza Brinell

500 kg

Resistencia

al corte

(psi)

Resistencia a

la fatiga

(psi) Serie 14

14ST 65000 50000 10 130 --- --- Serie 17

17SO 26000 10000 20 45 18000 11000 17ST 58000 35000 20 100 35000 15000

17SRT 61000 46000 13 110 36000 --- Serie 17 Alclad

17ST 55000 32000 18 --- 32000 --- 17SRT 57000 40000 11 --- 3200 ---

Serie 24 24SO 26000 10000 20 42 18000 14000 24ST 65000 43000 20 105 40000 14500

24SRT 68000 53000 13 116 41000 --- Serie 24 Alclad

24ST 60000 40000 18 --- 39000 --- 24SRT 62000 49000 11 --- 39000 ---

Serie 25 25SO 26000 10000 20 45 18000 --- 25SW 48000 25000 18 80 30000 9000 25ST 58000 35000 20 100 35000 14500

Serie A 51 A51ST 43000 34000 12 90 --- 15000

Serie 53 53SO 16000 7000 25 26 11000 7500 53SW 33000 20000 22 65 22000 10000 53ST 38000 32000 14 80 26000 11000

Tabla 6.13 aleaciones de aluminio tratables térmicamente con sus propiedades mecánicas importantes.

Forma 14S 17S 17S Alclad

24S Alclad

24S 25S A51S 53S

Lámina X X X X X X Placa X X X

Varillas y barras

X X X

Alambre X X X X X X Piezas

estiradas a presión

X X X

Tubos X X X Remaches X X

Piezas de forja X X X Perfiles X X X

Tabla 6.14 Formas tipo de aleaciones tratables térmicamente.

Aleación

Espesor Aproximado (t)

0.016 0.032 0.064 0.128 0.189 Serie 17

17SO 0 0 0 0 0-t 17ST t-2t 3/2-3t 2-4t 3-5 4-6t

17SRT 3/2-3t 2-4t 3-5t 4-6t 4-6t Serie 24

24SO 0 0 0 0 0-t 24ST 3/2-3t 2-4t 3-5t 4-6t 4-6t

24SRT 2-4t 3-5t 3-5t 4-6t 5-7t Serie 53

53SO 0 0 0 0 0 53SW 0-t ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2-4t 53ST ½-3/2t t-2t 3/2-3t 2-4t 3-5t

Tabla 6.15 Radios aproximados para flexión a 90° para las aleaciones en tratadas térmicamente.

.Especificaciones de aluminio Forma Designación

común Designación

federal Fuerza Aérea Fuerza Naval Resistencia a la

tensión (psi)

Barra 17SO QQ-A-351 57-152-4 46-A-4 35000 Barra 24SO QQ-A-354 57-152-5 46-A-9 35000

Lámina 24SO QQ-A-355 57-152-6 47-A-10 35000 Lámina 24ST QQ-A-355 57-152-6 47-A-10 62000 Lámina 24RT QQ-A-355 57-152-6 47-A-10 69000 Lámina 24SO Alclad QQ-A-355 47-A-8 33000 Lámina 24ST Alclad QQ-A-355 47-A-8 56000 Lámina 24RT Alclad QQ-A-355 47-A- 66000 Lámina XA 75ST 40000 Lámina XA 75ST 70000 Lámina XB75SO Alcald 38000 Lámina X75ST Alclad 70000 Tubo 3SO WWW-T-788 44-T-20 19000 Tubo 3S½H WWW-T-786 44-T-20 19500 Tubo 17SO WWW-T-786 57-152-4 44-T-21 35000 Tubo 17ST WWW-T-786 57-152-4 44-T-22 55000 Tubo 24SO WWW-T-785 57-152-4 44-T-28 35000

Tubo 24ST WWW-T-785 57-152-4 44-T-31 64000 Tubo 52SO WWW-T-787 57-152-4 44-T-32 35000

Tabla 6.16 Designación de las aleaciones de aluminio en los diferentes ámbitos industriales.

Aplicaciones Las aleaciones tratables térmicamente se usan prácticamente para todos los objetos estructurales de aeronáutica. Se les da forma en el estado recocido y después se les aplica el tratamiento térmico. En su forma de lámina se usa el 17ST para fuselajes y las cubiertas de metal. Se usa para fabricar cuadernas, costillas, piezas de refuerzo y ménsulas. Las placas de 17ST Alclad, se emplean para, reforzar cuadernas y miembros resistentes similares. Los tubos de 17ST se usan para mecanismos de operación de control y refuerzos. Los remaches de 17ST son el tipo para la unión de piezas Figura 6.9 Selección de materiales estructurales usados en una aeronave, para el caso de un Boeing 747 y Boeing 757

Magnesio Es un metal blanco brillante, algo tenaz maleable y de muy poca densidad. En el aire seco no se altera, pero en un medio húmedo se recubre de una ligera capa de óxido. Cuando se calienta arde con una luz blanca y brillante. El óxido de magnesio que se forma durante la combustión se pone incandescente a consecuencia del calor desarrollado y es lo que produce la luz tan brillante. No tiene acción sobre el agua caliente, es decir no presenta desprendimiento de hidrógeno. Los ácidos diluidos los atacan fuertemente con vivo desprendimiento de hidrogeno inflamándose por sí solo cuando alcanza los 650 °C. No debe ser apagado con agua, sí no con arena. Su peso atómico es 24.32 gr/grmol; funde a 651 °C y su punto de ebullición es 1120 °C. Funciona con dos valencias; su densidad es 1.74 gr /cm³ (dos terceras partes con respecto al aluminio). Estado natural No se encuentra nativo en la naturaleza, pero abunda combinado bajo muy diversas formas. Los principales minerales son: Cloruro doble de potasio y magnesio 2(KMgCl3) Sulfato de doble cloruro de potasio y magnesio. (KMgCl3)SO3 Sulfato doble de potasio y magnesio (KMg)2(SO3)3 Carbonato de magnesio MgCO3 Obtención del magnesio Se obtiene por electrólisis del cloruro doble de potasio y magnesio fundido en horno eléctrico. El magnesio se deposita en un crisol de hierro que hace las veces de cátodo. De cuando en cuando se hace una sangría del horno, seguido de un agregado de mineral. Durante la operación debe hacerse circular una corriente de un gas inerte para evitar la oxidación. Otro medio de obtención que fue caro hasta hace algunos años es la extracción del magnesio, del agua del mar que lo contiene en pequeña proporción. El magnesio comercial tiene como impurezas un promedio de 0.8% repartido como sigue: 0.4% K, 0.1% Si, 0.1% Fe, 0.1% Al y 0.1 % C. Aleaciones de magnesio En su estado puro el magnesio es relativamente blando y no tiene resistencia y otras propiedades para hacerlo adecuado para su uso estructural. Afortunadamente se liga fácilmente con el aluminio, zinc, estaño, cobre y cadmio para dar lugar a una variedad de aleaciones estructurales. Se pueden moldear en arena o vaciarse en matrices; se les encuentra en forma de varilla, barras, placas, láminas, perfilados estirados a presión y otras formas estructurales.

Las aleaciones de magnesio, tienen una resistencia másica excelente, se maquinan fácilmente, se sueldan con las aguas que lo tienen en soluciones salinas. Las aleaciones de este metal tienen muy baja resistencia a la corrosión en atmósfera cargada de sal y se pueden doblar, dar forma, y extruir. Las piezas vaciadas de aleaciones de magnesio, se usan para partes de motores de avión y para rines y estructuras del tren de aterrizaje. También se han llegado a fabricar palas de hélices. En la actualidad estas aleaciones se están usando solamente para fines secundarios en la construcción aeronáutica; para asientos, entrepaños, piezas de piso, cajas y ménsulas. Dos empresas principales elaboran el magnesio en E. U. ambas casas le dan designaciones diferentes a sus productos. El máximo de impurezas total en estas aleaciones, no debe exceder el 0.3%. Se permite un máximo de 0.1 % de Cu, en algunas de estas ligas.

Designación Aluminio Manganeso Zinc Silicio Estaño Dowmetal A AM241 7.0-9.0 0.2 0.3 Dowmetal A AM240 9.0-11.0 0.1 0.3 Dowmetal A 9.0-11.0 0.1 0.5 Dowmetal A AM265 5.5-6.5 0.1-0.3 2.4-3.3 Dowmetal A AM53S 3.5-6.5 0.2 Dowmetal A AM3S 0.2 Dowmetal A AM57S 5.8-7.2 0.2-0.6 0.5-1.0

--- AM58S 7.8-9.2 0.2-0.6 0.2-0.8 --- AM61S 0.8-1.5 5.0-7.0

Tabla 6.17 Designación y composición química de las aleaciones de magnesio. Propiedades físicas de las aleaciones de magnesio Peso: 0.064-0.066. lb/in³ Módulo de elasticidad: 6.25-6.5*106

Punto de fusión: 1100-1200 °F. lb/in².

Propiedades del magnesio Estirado Laminado Resistencia a la tensión (psi) 30000 37000

Límite elástica (psi) 18000 27000 Alargamiento (%) 10 9

Dureza Brinell 35 50 Peso específico 1.74 1.74

Tabla 6.18 Propiedades del magnesio puro.

Tratamiento térmico de las aleaciones de magnesio Las aleaciones vaciadas de magnesio responden al tratamiento térmico de manera total; mientras que para la forja reaccionan solo ligeramente. El material forjado es fabricado en caliente y desarrolla propiedades mecánicas que solo pueden mejorarse ligeramente por tratamiento térmico. Las aleaciones de forja pueden tratarse para facilitar el trabajo sin destruir sus propiedades físicas. El tratamiento térmico de las aleaciones de magnesio es semejante al de las aleaciones de aluminio. Hay dos tipos de tratamiento térmico: Tratamiento térmico de solución Consiste en calentar el material a 407-412 °C (765-775 °F) por un periodo de 16-18 hrs. Tanto el horno como el material deben estar a la temperatura requerida durante este periodo. Este tratamiento aumenta la resistencia a la tensión, la ductilidad y la tenacidad de las piezas vaciadas pero no cambia el límite elástico. Tratamiento térmico de precipitación o de envejecimiento Consiste en calentar un material previamente tratado de solución durante 16-18 hr, a 175 °C (350 °F). Esto incrementa el límite elástico y la dureza, pero reduce la ductilidad y la tenacidad. Se puede comprar material vaciado tal como queda después realizarlo o en uno de los dos estados de tratamiento térmico. Al fabricante de aviones no le ha de preocupar tratar térmicamente estas aleaciones en su factoría; sin embargo es conveniente que tenga conocimiento del proceso. Aplicaciones de las aleaciones de magnesio La producción anual de magnesio en el mundo occidental, ha sido relativamente constante, de aproximadamente 250,000 TON durante la década pasada, donde solo 40,000 de ellas se utilizaron para producir aleaciones estructurales de magnesio, siendo 31,000 TON las respectivas a material vaciado o moldeado. En el mercado aeronáutico, la aplicación estructural de este elemento virtualmente ha desaparecido para nuevos diseños; y se ha enfocado mayoritariamente en la fabricación de elementos de máquina y cubiertas de transmisión, principalmente para helicópteros. Asimismo el mercado para el magnesio se analizó recientemente por Hehmann S.C., cuyo resumen se esquematiza en la siguiente tendencia, donde queda clara la reducción de diversos productos en comparación con la del año 1996 y el periodo de 1981-1992. La drástica reducción en el mercado aeronáutico y de misiles en comparación con el incremento en el transporte terrestre, sector de mayor importancia en la actualidad para la aplicación de los productos de magnesio, la ha mantenido al margen de su desaparición en el mercado. La tendencia en la utilización del magnesio se puede observar a continuación:

Aplicación

Porcentaje utilizado en el

campo industrial (1982-1992)

Porcentaje utilizado en el

campo industrial (1996)

Accesorios del transporte aeronáutico Estructuras aeronáuticas 49 12 Elementos de máquina 7 8 Aplicaciones aerospaciales y misiles 40 0 Instrumentos aeronáuticos 21 3

Sistemas del transporte terrestre Industria automotriz 19 42 Bicicletas y deslizadores 6 4 Equipo variado de manipulación 13 14

Industria Herramientas y accesorios 8 2

Productos y accesorios mixtos Industria óptica 4 0.5 Maquinaria y herramienta no industrial 18 10 Productos de oficina 7 17

Aplicación privada Industria del deporte 6 11 Promedio total 198 125

Tabla 6.19 Tendencia a la utilización de productos de aleación de magnesio. La mayoría de los componentes en aleaciones de magnesio, actualmente se fabrican por fundición a presión, estas ofrecen particulares ventajas, principalmente:

1. La mayoría de las aleaciones son muy fluidas, lo cual permite que durante el vaciado se llenen completamente hasta las zonas mas intrincadas.

2. El magnesio presenta un bajo calor específico por unidad de volumen, comparado con otros metales, por lo que se pueden realizar mas ciclos de vaciado reduciendo el consumo de dados.

3. Se pueden alcanzar altas presiones en el conducto de colada, como presiones moderadas debido a la baja densidad del magnesio (1.74 gr/cm³).

4. Los dados de hierro, tienen una muy baja solubilidad en las aleaciones de magnesio, lo cual es muy benéfico, porque se reduce cualquier tendencia de pegarse o adherirse.

Designación de las aleaciones de magnesio No hay un código internacional para designar a las aleaciones de magnesio, sin embargo, existe una tendencia en adoptar el método usado por la ASTM. En este sistema, las primeras dos letras indican los elementos de aleación de acuerdo al siguiente código:

Elemento Designación Elemento Designación Aluminio A Manganeso M Bismuto B Níquel N Cobre C Plomo P

Cadmio D Plata Q Tierras raras E Cromo R

Hierro F Silicio S Magnesio G Titanio T

Torio H Itrio W Zirconio K Antimonio Y

Litio L Zinc Z Tabla 6.20 Método para la designación de las aleaciones de magnesio.

La letra que se utiliza al principio de la aleación, indica al elemento presente en mayor cantidad; si dos de ellos son iguales en cantidad, las letras se indican alfabéticamente. Las dos primeras letras o sólo una, son seguidas por números, los cuales representan la composición nominal porcentaje, con los números enteros más cercanos. Aplicaciones Cada una de las aleaciones de magnesio antes descritas; tienen su mejor empleo en determinadas aplicaciones. En general, siempre que sea posible debe escogerse el material forjado a causa de su gran resistencia a los esfuerzos repetidos (fatiga). Estas aleaciones tienen buenas propiedades mecánicas citando como ejemplo, la Dowmental H o AM265. En estado de tratamiento térmico estas aleaciones se usan en las ruedas, cajas, cigüeñal, cárter y otras partes del motor, como secciones delanteras y traseras. Debe hacerse notar, la aleación MAM35, que debe obtenerse en lámina o en perfiles estirados por presión, pues posee buenas características de conformación de y de resistencia a la corrosión. Esta última resistencia mejora ligeramente cuando recibe tratamiento térmico aún cuando sus propiedades mecánicas en este estado sean prácticamente las mismas que se obtienen por un simple tratamiento de recociido. La Dowmetal F o AM335; es la aleación de uso general. Puede obtenerse en formas estructurales o perfiles, lámina, piezas forjadas o tubería. Tiene propiedades mecánicas y puede conformarse y soldarse rápidamente. Su resistencia a la corrosión es muy buena. Otra aleación que tiene muy buenas propiedades mecánicas y una notable resistencia al choque y a la fatiga y que se presta muy bien para el forjado es la JAM57S. La AM58S es la aleación de forja, que tiene las mejores propiedades mecánicas. Es poco más difícil por forjar que la JAM57S por lo que se usa para piezas forjadas de diseño simple como palas de hélice. La AM61S se usa para piezas estampadas, tiene magnificas propiedades mecánicas y excelente facilidad para trabajarse. Las piezas forjadas de esta liga generalmente son más baratas que las hechas de otras aleaciones de magnesio. Figura 6.10 Esquema de la interfase entre los elementos de una aleación Mg-Al, con formación de precipitado.

Titanio Uno de los elementos de reciente descubrimiento para la conformación de aleaciones que presenten resistencia máxima en condiciones extremas; es el titanio. Su aplicación industrial se está expandiendo, sin embargo en al industria aeronáutica, se le augura un buen futuro. Sus características más importantes se presentan a continuación:

1. Proporciona excelente resistencia a la corrosión 2. Alta relación resistencia-peso específico. 3. Propiedades favorables a temperaturas altas. 4. Densidad de 4.505 gr/cm³, o, 0.163 lb/cm³ 5. Resistencia a la ruptura de 220000 psi. 6. Excelente resistencia a la corrosión y a la contaminación.

El titanio, al igual que el hierro presenta diversos estados alotrópicos. A temperatura ambiente el titanio se compone de un arreglo atómico estructural hexagonal compacto (H.C.), denominada titanio α. Al calentarlo a una temperatura de 882 °C, se denomina titanio β, y se caracteriza por exhibir una estructura cúbica centrada en el cuerpo (B.C.C.) Aleaciones Titanio α Las aleaciones titanio alfa contienen 5%Al, y 2.5% Sn, ambos elementos endurecedores por solución. Estas aleaciones tienen adecuada resistencia a la corrosión y a la oxidación, mantienen también su resistencia a elevadas temperaturas y su solubilidad es conveniente. Poseen una aceptable ductilidad y conformidad, a pesar de su estructura HC. Las aleaciones alfa se recosen a temperaturas elevadas en la región β y luego se enfrían. Aleaciones Titanio β Aunque las condiciones excesivas de vanadio (V) o de molibdeno (Mo) producen una estructura (HC) enteramente β, el titanio en esta fase conserva sus características. Es por ello que se adicionan estabilizadores de β, de modo que el enfriamiento rápi do produce una estructura metaestable compuesta en su totalidad de esta fase. En la condición recocida donde solo existe β en la microestructura; la resistencia proviene del endurecimiento por solución sólida. Las aleaciones también pueden ser envejecidas para producir resistencias mayores. Sus aplicaciones incluyen los sujetadores de alta resistencia, vigas y otros elementos para uso aerospacial. . Aleaciones de Titanio α-β Las aleaciones α-β pueden tratarse térmicamente para obtener altas resistencias. La aleación es tratada por solución cerca de la temperatura de fusión. Después la aleación es enfria rápidamente para formar una solución sólida sobresaturada metaestable.

Figura Diagramas de fases para las aleaciones; a) Ti - Sn; b) Ti – Al; c) Ti – Mg; d) Ti – Mo.

UNIDAD VII Corrosión

Prácticamente todos los materiales pueden tener reacciones con su ambiente. Tales reacciones suceden en muchas formas, incluyendo disolución directa, absorción de materias extrañas en el material base o formación de nuevas fases. Si bien esas reacciones suelen ser indeseables, no siempre sucede así. Por ejemplo, se forma sobre las aleaciones de aluminio una capa de óxido muy adherente y protectora. Así, en muchas aplicaciones (pero no en todas como veremos), el aluminio se protege contra el ataque posterior del ambiente.

Se tiene un ejemplo frecuente con la vajilla de cocina fabricada de aluminio, que es muy durable. Otro ejemplo es el del cobre, que se ha usado durante siglos para techar. El cobre forma pronto una pátina verdosa, formada de sulfatos de cobre; estos sulfatos se forman por reacciones entre los compuestos atmosféricos de azufre y el cobre. La pátina, una vez formada, es una barrera contra la corrosión, y la rapidez de pérdida de cobre es menor a 0.1 mm por siglo.

Sin embargo, lo más frecuente es que las interacciones entre el material y el ambiente sean indeseables y den como resultado pérdidas económicas. En las sociedades industriales más avanzadas, la corrosión representa una pérdida económica anual de un 5% del producto interno bruto. En Estados Unidos, eso significa bastante más de $150 mil millones de dólares cada año.

Un ejemplo espectacular de una falla inducida por la corrosión sucedió en 1988. La cabina de un avión a reacción de Aloha Airlines, Boeing 737, en un vuelo de rutina, en las islas Hawaii, se desgarró de repente y una sobrecargo perdió la vida. La causa se relacionó con la corrosión extensa del material de la cabina, de aleación de aluminio, en un ambiente de aire salino.

Corrosión La corrosión es una acción electroquímica compleja que causa que los metales se transformen en sus sales y óxidos elementales. Estas substancias reemplazan el metal y causan severas perdidas de resistencia en la estructura. Los mecanismos actuales de corrosión son relativamente simples y se requieren principalmente de los tres puntos siguientes: 1. Existencia de una diferencia de potencial en el metal. 2. Debe existir un camino conductivo entre las dos áreas de potencial diferente. 3. La existencia de alguna forma de electrolito o fluido que cubra las dos áreas. La corrosión es un proceso natural, y su prevención es casi imposible, sin embargo puede ser controlada. En la aviación, la técnica usada es prevenir o remover cualquier indicio de corrosión de tal manera que se obtenga un tiempo de vida más largo en la estructura de la aeronave. La limpieza de la superficie es uno de los caminos para controlar la corrosión, cualquier otro tipo de corrosión que se forme, es removido de la superficie y se protege con algún recubrimiento. Para entender la corrosión debemos comprender que esta es una acción electroquímica. Recordemos que todos los materiales constan de átomos y moléculas, donde el primero es la unidad básica de un elemento químico; mientras que una molécula es una agrupación de átomos que hacen perfectamente identificable la unidad de un compuesto químico. Por ejemplo el sodio (Na) es un elemento metálico y consiste simplemente de átomos, sin embargo combinado con el cloro (Cl) forma una molécula de cloruro de sodio (NaCI), es decir la sal común. Un átomo consiste de un núcleo con protones de carga positiva y neutrones sin carga. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones cargados negativamente. Si el átomo tiene exactamente el mismo numero de electrones y protones esta balanceado. Si hay más o menos electrones que protones se dice que el átomo esta cargado, este átomo cargado es conocido como ion. Si hay más protones que electrones se conocen como un ion positivo, por el contrario sí hay más electrones que protones se conoce como un ion negativo; en cualquiera de las dos situaciones un ion es inestable, pues siempre está perdiendo o cargando electrones extra. Corrosión y desgaste En la composición química, el material es disuelto por un líquido corrosivo. Viendo la corrosión desde el punto de vista electroquímico; las moléculas se disocian, generando iones que son reactivos para el material sólido, por lo que se origina un circuito eléctrico. Los metales y circuitos cerámicos reaccionan en un medio ambiente gaseoso, normalmente a temperaturas elevadas y el material puede ser destruido por la formación de óxidos u otros compuestos. Los materiales pueden también modificarse cuando se exponen a la radiación e incluso a las bacterias. Finalmente, una gran diversidad de mecanismos de desgaste y de corrosión altera la forma de los materiales. Se gastan enormes sumas de dinero cada año para reparar los daños ocasionados por la corrosión. Corrosión Química En la corrosión química o disolución directa, el material se disuelve en un medio líquido corrosivo y continúa disolviéndose en el líquido hasta que se consume el material o se satura el líquido.

Deterioro de los metales Los metales líquidos atacan inicialmente a un sólido en los sitios de alta energía, como los limites de grano. Si estas regiones continúan siendo atacadas de modo preferente, finalmente se originan grietas. A menudo esta forma de corrosión se complica por la humedad, la formación de compuestos que aceleran el ataque, o la corrosión electroquímica. Disolución selectiva Un elemento particular en una aleación puede ser, disuelto y separado del sólido. La disolución selectiva ocurre, citando un ejemplo; el latón que contiene más de 15% de zinc, comienza corroerse si se encuentra en un medio húmedo. Tanto el cobre como el zinc son disueltos por soluciones acuosas a temperaturas elevadas; los iones zinc permanecen en la solución mientras que los iones cobre se reubican sobre el latón. Finalmente, el latón se vuelve poroso y débil. La corrosión de la fundición gris ocurre cuando el hierro es disuelto selectivamente en agua o salitre, dejando tras de sí hojuelas entrelazadas de grafito y del producto de la corrosión. La corrosión localizada, a menudo causa fallas o fugas en tuberías de fundición gris, provocando explosiones. Fusión de las cerámicas Los refractarios cerámicos utilizados para contener metal fundido durante la fusión o la refinación pueden ser disueltos por las escorias que se producen en la superficie metálica. Solventes para los polímeros Los polímeros se disuelven en solventes líquidos que presentan estructuras similares. El polietileno, que tiene una estructura en cadena recta, se disuelve fácilmente en solventes orgánicos cuyas moléculas se asemejan a la molécula del etileno. El poliestireno se disuelve con más facilidad en los solventes orgánicos como el benceno, que tiene una estructura molecular similar. Celda electroquímica Una celda electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contacto a través de un líquido conductor o electrolito. El circuito eléctrico completo que se produce permite tanto la electrodepositación como la corrosión electroquímica. Componentes de una celda electroquímica: 1. Ánodo: Elemento que cede electrones al circuito y se corroe. Cátodo: Elemento recibe electrones del circuito a través de una reacción química. Los iones que se combinan con los electrones producen un subproducto en el cátodo.

2. Contacto Físico: El ánodo y el cátodo deben estar conectados eléctricamente por contacto físico para que los electrones fluyan libremente del ánodo al cátodo. 3. Electrolito: Líquido que debe estar en contacto tanto con el ánodo como con el cátodo. El electrolito es un conductor por lo que completa el circuito. Dicho liquido proporciona el medio a través del cual, los iones metálicos abandonan la superficie del ánodo y asegura que los iones se desplacen hacia el cátodo, que acepta los electrones. Figura 7.1 Una gota de agua sobre una superficie metálica ocasiona la formación de una celda de concentración de oxígeno Reacción anódica El ánodo que es un metal, experimenta una reacción por oxidación mediante la cual se ionizan, los átomos metálicos. Estos ingresan a la solución electrolítica mientras que los electrones abandonan el ánodo a través de la conexión eléctrica. M Mn + ne-

Debido a que los átomos metálicos salen del ánodo, éste se corroe. Reacción catódica en la electrodepositación En este proceso, ocurre en el cátodo una reacción por reducción, la cual es el inverso de la reacción en el ánodo. Mn + ne-

M

Reacción catódica en la corrosión Excepto en condiciones poco usuales, la electrodepositación de un metal no ocurre durante la corrosión electroquímica. En lugar de ello, la reacción de reducción forma un producto secundario en forma de gas, sólido o liquido en el cátodo.

Potencial electródico en las celdas electroquímicas En la electrodepositación debe aplicarse un voltaje para originar un flujo de corriente en la celda. En cambio en la corrosión se genera de modo natural un potencial cuando se coloca un material en una solución. Cuando se coloca un metal ideal perfecto en un electrolito se produce un potencial electródico, el cual se relaciona con la tendencia del material a ceder electrones. Efecto de la concentración en el potencial electródico Este potencial depende de la concentración del electrolito. La ecuación de Nerst permite estimar el potencial electródico en soluciones que no son las típicas. E = (Eo + 0.0592 η

) log C(ion

donde: E = Potencia electrodico en una solución que contiene una concentración Cion del metal en unidades molares. η = Es la valencia del ion metálico. Eo = Es el potencial electrodico patrón en una solución. Cuando Cion = 1; E = Eo. Nótese que el logaritmo es de base 10.

Ion Metal Potencial Electródico Ánodico Li = Li+ + e -3.05 -

Mg = Mg+2 + 2e -2.37 -

Al = Al+3 + 3e -1.66 -

Ti = Ti+2 + 2e -1.63 -

Mn = Mn+2 + 2e -1.63 -

Zn = Zn+2 + 2e -0.76 -

Cr = Cr+3 + 3e -0.71 -

Fe = Fe+2 + 2e -0.44 -

Ni = Ni+2 + 2e -0.25 -

Sn = Sn+2 + 2e -0.14 -

Pb = Pb+2 + 2e -0.13 -

H2 = 2H+2 + 2e 0.00 -

Cu = Cu+2 + 2e +0.34 -

4(OH) = O2 + 2H2O + 4e +0.40 -

Ag = Ag+ + e +0.80 -

Pt = Pt+4 + 4e +1.20 -

2H2O = O2 + 4H+4 + 4e +1.23 -

Cátodico Au = Au+3 + 3e +1.15 -

Tabla 7.1 Serie de fuerzas electromotrices (F.E.M.) para algunos metales.

Tipos de corrosión electroquímica Deterioro uniforme Cuando se coloca un metal en un electrolito, algunas regiones son anódicas respecto a otras. Sin embargo la ubicación de tales regiones se desplaza y se invierte por intervalos. Puesto que las regiones anódicas y catódicas cambian continuamente, el metal se corroe de manera uniforme aun sin contacto con otro material. Deterioro galvánico Ocurre cuando ciertas áreas actúan siempre como ánodos, mientras que otras lo hacen siempre como cátodos. Estas celdas electroquímicas se denominan celdas galvánicas y se clasifican en tres tipos: 1. Celdas de composición 2. Celdas de esfuerzo 3. Celdas de concentración. Protección contra la corrosión electroquímica Técnicas que se utilizan para impedir la corrosión: 1. Diseño 2. Recubrimientos. 3. Inhibidores. 4. Protección catódica 5. Pasivación. 6. Selección de los materiales. Diseño Mediante un diseño adecuado de las estructuras metálicas, la corrosión puede aminorarse o incluso evitarse. Los factores que deben considerarse se mencionan a continuación: a) Impedir la formación de las celdas galvánicas. b) Diseñar componentes para la contención de líquidos, que sean cerrados no se acumulen líquido estancado. c) Hacer el área del ánodo mucho mayor que la del cátado. d) Evitar hendiduras y grietas entre los materiales armados o unidos. Recubrimiento Se utilizan para aislar las regiones del cátodo y el ánodo. Los recubrimientos temporales como la grasa o el aceite proporcionan cierta protección pero se eliminan fácilmente. Los recubrimientos orgánicos, como la pintura o los recubrimientos cerámicos como el esmalte o el vidrio proporcionan una mayor protección. Los recubrimientos metálicos incluyen al acero galvanizado, con depósito de zinc y estaño. Los recubrimientos por conversión química se producen por una reacción química, con la superficie.

Inhibidores Algunos agentes químicos añadidos a la solución de electrolito, emigran preferentemente hacia la superficie del ánodo o del cátodo y producen una polarización por concentración o por resistencia. Los inhibidores pueden concentrarse en el ánodo, causando una severa polarización por concentración y reducen de modo importante la rapidez de corrosión del ánodo. Protección catódica Se puede proteger contra la corrosión, suministrando electrones al metal y forzándolo a ser un cátodo. La protección catódica puede realizarse utilizando un ánodo de sacrificio o un voltaje inverso. Pasivación o protección anódica Los metales cercanos al extremo anódico de la serie galvánica, son activos y sirven como ánodos en la mayoría de las celdas electrolíticas. La pasivación se realiza mediante la producción de una fuerte polarización anódica, evitando la reacción anódica normal. Selección de los materiales y tratamiento La corrosión puede evitarse o minimizarse seleccionando de manera adecuada los materiales y los tratamientos térmicos en las aleaciones. Hay varias técnicas a través de las cuales se puede minimizar el problema:

1. Si el acero contiene menos de 0.03% C, no se forman carburos de cromo. Si el porcentaje de Cr es muy alto, la austenita puede agotarse por debajo de 12% Cr, aun sí se forman los carburos de cromo.

2. La adición de titanio o de niobio mantiene el carbono en forma de TiC o NbC, evitando la formación de carburo de cromo. Se dice que el acero esta estabilizado.

3. El intervalo de temperaturas de sensibilización es de 425-870 °C, y debe ser evitado durante la manufactura o el servicio.

4. El tratamiento térmico de el acero inoxidable es calentado por encima de los 870 °C, causando la disolución de los carburos de Cr.

Oxidación Los materiales de todos los tipos pueden reaccionar con el oxigeno y otros gases. La oxidación de los metales; se lleva a cabo cuando éstos reaccionan con el oxigeno produciendo un oxido en la superficie. Interesan tres aspectos de esta reacción: la facilidad con que se oxida el metal, la naturaleza de la película de oxido que se forma y la velocidad con que ocurre la oxidación. La facilidad con la que ocurre la oxidación esta dada por la energía libre de formación.

Daño por radiación Metales La radiación de alta energía, como la de neutrones, puede sacar un átomo de su lugar normal en la red; creando intersticios y vacantes. Estos defectos puntuales reducen la conductividad eléctrica y provocan que los metales dúctiles se hagan más duros y frágiles. El recocido puede subsanar el daño por radiación. Cerámicos La radiación crea también defectos puntuales en los materiales cerámicos. Normalmente se observa un pequeño efecto en las propiedades mecánicas, ya que los cerámicos son frágiles, pero las propiedades físicas como la conductividad técnica y las propiedades ópticas pueden perjudicarse. Figura 7.2 Ilustración de la corrosión concentrada en una hendidura o picadura. Desgaste y erosión El desgaste y la erosión eliminan material de un componente a través del deterioro mecánico de sólidos y líquidos. Desgaste por adherencia Este desgaste, conocido también como rayado o raspado, ocurre cuando dos superficies sólidas deslizan una sobre otra, bajo presión. Conforme continúa el deslizamiento se rompen estas uniones produciendo cavidades en la superficie de las partes proyectadas, provocando así mayor desgaste de las superficies. Desgaste abrasivo Ocurre cuando el material se elimina de la superficie al contacto con partículas duras, la cual pueden encontrarse presentes en la superficie al contacto de un segundo material, como partículas sueltas entre dos superficies. A diferencia del desgaste por adherencia no ocurre unión.

Figura 7.3 Formación de carburos de cromo, en el proceso de soldadura del acero inoxidable.

a) Volumen sensible del

material. b) Partículas de CrC2,

en el límite de grano.

c) Formación del ánodo de

la celda galvánica. Control del medio ambiente Es necesario, cada vez más importante que aliado a los proyectistas de estructuras metálicas o de diseño de equipos e instalaciones, haya un experto en corrosión o, al menos, que los técnicos responsables del diseño y construcción tengan conocimientos básicos sobre este particular fenómeno. Sólo con esté último y no cabe pedir menos, se habrían evitado un gran número de los problemas que plantea el empleo de los materiales metálicos con un costo casi nulo. La realización de un proyecto correcto desde el punto de vista de la protección contra la corrosión, exige una previsión de mantenimiento de la instalación. Esta previsión permitirá por una parte, acumular la información de instalación que será muy valiosa sobre el comportamiento de los materiales y, por otra, dictar a las grandes empresas, la existencia de un experto en corrosión que solucionaría grandes problemas sobre el desgaste de los materiales y el control del medio ambiente.

Existen varios tipos de corrosión que deben evitarse con solo tener un control ambiental: Corrosión uniforme, Corrosión generalizada y regular Corrosión localizada Corrosión por formación de picaduras Corrosión por agrietamiento Corrosión bacteriana Corrosión galvánica Corrosión por corrientes vagabundas Corrosión por pilas de concentración Corrosión por aireación diferencial Corrosión selectiva, Corrosión a bajas y altas temperaturas.