En este post vamos a ver las características principales de los materiales metálicos para aeronaves y sus condiciones de servicio.

En aeronáutica hay tres grupos principales de materiales para su construcción:

  1. Aleaciones férreas representadas por el acero, en declive.
  2. Aleaciones ligeras.
  3. Materiales compuestos.

 

Conceptos Básicos sobre el Estado de los Materiales Metálicos para Aeronaves

 

El carácter metálico se distingue por sus características:

  • Brillo,
  • Resistencia Mecánica,
  • Deformación Plástica hasta la rotura.

 

Los materiales metálicos poseen estas propiedades, pero con diferente orden.

Los metales puros están formados por un solo elemento y otro comercial tiene impurezas.

Se llama aleación a una mezcla de metales que tiene carácter metálico.

Por ejemplo, la aleación industrial hierro carbono está compuesta de un metal (hierro) y un metaloide (carbono).

Hay una combinación de estos dos elementos (carburo de hierro) que no tiene carácter metálico y por tanto no es una aleación.

 

Todos los metales se componen de átomos, que tienen electrones orbitales.

El átomo de un elemento metálico tiene menos de 4 electrones orbitales.

El conjunto de átomos, en estado sólido, se distribuye de forma regular por esta razón se dice que los metales tienen carácter cristalino.

Se llama sistema de planos cristalográficos el conjunto de planos paralelos y equidistantes que contiene a todos los átomos del cristal.

En el caso de un cristal cúbico se trataría del plano de una cara del cubo y de los planos paralelos a dicha cara.

 

Entre los átomos existen diversos enlaces:

 

  • El iónico (un átomo absorbe un electrón de otro átomo),
  • El homopolar (moléculas que tienen los átomos con enlace de covalencia, donde los átomos comparten electrones de último nivel para alcanzar la estabilidad).

 

Los átomos están rodeados por una «atmósfera» de electrones formando una «nube electrónica» moviéndose entre ellos, pero sin poseerlo.

Esta teoría explica la conductividad eléctrica de los metales, y también facilita  la deformación plástica del metal.

 

Estructura granular

 

Si una sección de corte de un metal se observa en el microscopio de reflexión se aprecia un conjunto de gránulos, denominados  «granos del metal».

Una cosa es la red regular de átomos de un metal, que es fija, y otra la estructura granular que se puede modificar mediante tratamiento térmico.

Se calentara a alta temperatura y se enfriara de forma natural o intencionada (por ejemplo, en agua).

Las propiedades del metal están ligadas a la estructura granular.

Una estructura con tamaño grueso de grano es indicativa de poca resistencia mecánica.
Un grano fino y pequeño es signo, en principio, de alta resistencia mecánica.

 

En un metal en estado líquido los átomos poseen suficiente energía cinética para estar en movimiento.

Las  fuerzas de atracción atómica son mayores conforme se enfría y baja la temperatura del metal.

En este estado disminuye la energía cinética del conjunto metálico y se forman núcleos atómicos.

En  este proceso el metal llega al estado sólido cuando la energía de los átomos no es capaz de romper las fuerzas  que se ejercen entre ellos.

 

El metal solidifica.

¿Cómo crecen los granos?

 

La aglomeración y crecimiento de los granos empieza con la expansión de los núcleos atómicos dentro del metal fundido.

Cuando los núcleos tienen ejes cristalográficos distintos  se ensanchan en todas direcciones hasta que colisionan con otros que están en el mismo proceso.

Se alcanza un momento en el que no crecen más por chocarse unos con otros.

La base cristalográfica permanece inalterable.

Otra cosa es la «forma» cristalográfica que depende de la expansión que le permitan los núcleos vecinos hasta la colisión.

 

Dislocaciones

 

Ya tenemos una estructura granular consolidada.

Se ha formado un proceso de expansión de los núcleos atómicos que  produce la colisión entre los mismo.

Hay átomos en un grano y en los adyacentes que no conservan las distancias entre ellos.

A este defecto cristalino se le llama dislocación, defecto fundamental que es la causa de la debilidad que presentan los metales.

Casi todas las fracturas del metal ocurren a lo largo de líneas de dislocaciones, que se producen durante el proceso de solidificación.

En un panel de fuselaje de avión, de 1,5 m por 1,5 m, y 3 mm de espesor, hay mil millones de km de longitud de líneas de dislocaciones.

Esto da idea de la proximidad en la que se encuentran las dislocaciones en el seno del metal.

 

Tamaño del Grano.

 

El tamaño del grano depende de la velocidad de enfriamiento del material fundido.

Si la velocidad de enfriamiento es rápida se obtiene un tamaño de grano fino.

a la inversa si es lenta.

Se llama límite de grano la superficie que separa los granos individuales.

Para observar la estructura granular de un metal se secciona y se esmerila el corte para verlo en un microscopio de reflexión.

Los rayos de luz inciden perpendicularmente y solo se ve una superficie blanca.

Si se ataca la superficie con un ácido entonces se aprecian los límites de grano y los granos mismos.

Los granos aparecen de color distinto unos de otros, puesto que no son direccionales, y la profundidad de ataque del ácido depende de la dirección del grano.

Los límites de grano,  se aprecian en color más oscuro (mayor ataque del ácido).

La anchura del límite de grano en los materiales estructurales que se emplean en los aviones es del orden de 2 átomos.

Por su formación los límites de grano son defectos del material pero,  juegan un papel fundamental en su resistencia mecánica.

Se oponen al deslizamiento de las dislocaciones  formando una barrera a su movimiento y desorden.

El desplazamiento de las líneas de dislocaciones es responsable de la deformación del metal y provoca la rotura.

 

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Microestructura de un metal adquirida con un microscopio de reflexión donde se observan los granos y límites de grano.
El diferente color de los granos se debe a las características de reflexión de la luz incidente en ellos.
Nótese la escala en micras, en la parte inferior izquierda de la fotografía.

 

Endurecimiento de los metales

 

La resistencia mecánica de los metales frente a la carga impuesta en condiciones de servicio se consigue ralentizando el desplazamiento de las dislocaciones.

 

Lo ideal sería detenerlas por completo.

 

Hay diversas técnicas para reforzar los metales.

 

Nos referimos  a los materiales metálicos usados en aeronáutica, no en otra actividad industrial.

 

Además, dos consideraciones:

 

a. La explicación que sigue está en la sección del acero, es aplicable a las aleaciones de aluminio y otras ligeras.

b. Cada material responde de distinta forma a estos procesos, Por ejemplo, el endurecimiento por precipitación es el más efectivo para las aleaciones de aluminio.

Otro medio de endurecimiento, llamado solución sólida, es poco efectivo en el aluminio pero importante en las aleaciones de magnesio.

 

Trabajo en frío

 

Un metal aumenta su resistencia mecánica cuando se somete a deformación.

Cuando una pieza metálica se somete a fuerzas que provocan su deformación plástica, como sucede cuando se trabaja el material en frío, aumenta de forma extraordinaria el número de dislocaciones.

«Trabajo en frío» y endurecimiento por deformación significan lo mismo.

En principio podría parecer que tal aumento de deformación traería consigo un decrecimiento de la resistencia mecánica del metal,  pero no es así.

Con los esfuerzos crecientes del trabajo en frío (pensemos por ejemplo en un panel de chapa de fuselaje al que se da curvatura sucesiva en una prensa).

Las dislocaciones se desplazan hasta que encuentran obstáculos, son los puntos de apuntalamiento, que se oponen a su desplazamiento.

Los obstáculos más típicos que encuentran las líneas de dislocaciones son las llamadas partículas de segunda fase (se trata de partículas de óxidos, de carburos, nitruros, etc., que están contenidas en el metal).

Cuando progresan los esfuerzos de trabajo, la zona microestructural del metal que ha sujetado los extremos de una línea de dislocación actúa como punto de apuntalamiento para ella, doblándola.

A veces se curvan tanto que forman verdaderos lazos como se ve en el microscopio electrónico.

Cuando el lazo se cierra se crea una dislocación nueva.

La original sigue apuntalada y podrá crear lazos de dislocación adicionales.

Estas acciones se conocen con el nombre de «fuentes de Frank Read».

 

 ¿cuál es el resultado?

 

La curvatura de las líneas de dislocación representa una zona de restricción al movimiento.

Quiere decirse que desaparecen muchos planos de deslizamiento por los que discurrían las líneas sin oposición.

El resultado es que disminuye la deformación del metal y aumenta su resistencia mecánica.

Terminado el proceso de trabajo en frío (típicos son la laminación, el trefilado para alambres, la extrusión para tubos y perfiles) el número de dislocaciones puede pasar de 106 líneas por centímetro cúbico de material, a 1012.

Bien entendido, el endurecimiento del metal por trabajo en frío no es intenninable.

Cuando se aglomera un número importante de dislocaciones  crecen las posibilidades de formación de una pequeña grieta zonal que puede acabar en fractura de la pieza.

La razón es que el trabajo en frío lleva el material a esfuerzos que superan su límite elástico, pues se trabaja por arriba de él.

El trabajo en frío es una técnica adecuada para producción de piezas en cantidades y dimensiones precisas, y además proporciona buen acabado superficial.

En contra, desventaja, el material pierde ductilidad y resistencia a la corrosión.

Empeora, también la conductividad eléctrica pero en menor proporción que cuando se introducen elementos aleantes.

 

Recocido de ablandamiento

 

Vemos que el trabajo en frío produce gran endurecimiento del material.

Pero supongamos que se desea mantener el aspecto y precisión de la pieza con la condición de que sea más dúctil, más blanda.

El recocido de ablandamiento es un tratamiento térmico que permite eliminar los efectos no deseados del trabajo en frío.

Es más, con sucesivos ciclos de trabajo en frío y de recocido se pueden alcanzar grandes deformaciones en el material en beneficio del diseño final de la pieza.

 

El recocido tiene tres fases, según grado de calentamiento del metal:

 

a. Recuperación, fase donde el número de dislocaciones sigue prácticamente igual pero estas se han ordenado.

El punto que aumenta de forma notable la conductividad eléctrica del material que se ha sometido a trabajo en frío (buen provecho, producción de hilos de cobre).

b. Recristalización. Al aumentar la temperatura del tratamiento hay nucleación y crecimiento de nuevos granos en el metal.

Desaparecen muchas dislocaciones, el material pierde resistencia pero es extraordinariamente dúctil y maleable.

c. Crecimiento granular.

A temperaturas altas de recocido los granos aumentan de tamaño, a costa de los más pequeños, lo cual es un proceso poco deseable.

La recristalización que se ha sometido a trabajo en frío ofrece la oportunidad de transformar su estructura cuando el metal tiene dificultades para hacerlo por otro tratamiento térmico.

 

Endurecimiento por solución sólida

 

Una solución sólida se forma cuando se añaden al metal base elementos de aleación, de igual forma que dos líquidos solubles se mezclan formando sus moléculas un todo homogéneo.

Los átomos del metal o metales de aleación en la solución sólida se dispersan de forma uniforme dentro del material base.

 

Los átomos que se añaden por los elementos aleados pueden ocupar en el cristal dos tipos de sitios:

 

• El átomo sustitucional,  sustituye a otro que estaba en el cristal.
• El átomo intersticial, que proviene de una impureza, se introduce en el cristal como átomo nuevo, entre los espacios vacíos que hay entre los átomos del metal base (véase Figura 1.1).

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Átomo intersticial

Figura 1.1. Esquema de presencia de un átomo sustitucional en la 7• fila y de un átomo intersticial en la penúltima.

El átomo sustitucional, bien de metal aleado o de una impureza, reemplaza al del metal base ocupando su posición.

Para el caso intersticial, un átomo de impureza ocupa el espacio vacío que queda entre átomos.

En muchos materiales metálicos los espacios intersticiales son pequeños, de manera que el átomo de impureza que se sitúa  debe ser pequeño.

 

El que un átomo aleado ocupe un lugar  depende de diversas propiedades físicas y de los tamaños  de los átomos del metal base y aleante.

Pero lo importante para el Curso TMA es señalar que la inclusión de estos átomos origina deformación en la estructura del cristal.

Aparece en los cristales un estado de fuerzas (de tensión o de compresión) según el tamaño de los átomos introducidos respecto a los del metal base.

Cuando los átomos son grandes,  se crea un campo de fuerzas de compresión en el cristal.

Los átomos del metal base, más pequeños, se ven sometidos a fuerzas de compresión por los átomos más grandes incrustados en el cristal.

 

Lo contrario sucede cuando son más pequeños.

 

¿Cómo se relacionan estos acontecimientos con el aumento de la resistencia mecánica del metal?

 

La respuesta es la creación de un campo de fuerzas en los cristales que representa una barrera para el libre desplazamiento de las líneas de dislocación.

Señalemos estas notas:

 

  1. La resistencia del material aumenta porque para desplazar las dislocaciones hace falta ahora mayor nivel de esfuerzo exterior.
  2. Cuanto mayor es la distorsión del cristal mayor es la resistencia mecánica.
    Mayor distorsión en la red cristalina ocurre con átomos de soluto de mayor tamaño atómico. (Soluto quiere decir átomos que se disuelven en el metal base.)
  3. Bien entendido. Hay limitación en la cantidad de soluto que puede disolver el metal base.Si hay demasiado soluto, el exceso aparecerá en el metal como partículas de segunda fase.
  4. La resistencia mecánica disminuye respecto a la que tenía en nivel de solubilidad completa.El motivo es que, desde el punto de vista endurecedor, es más fuerte el efecto de solubilidad completa que la presencia de partículas de segunda fase.
  5. El endurecimiento por solución sólida no tiene lugar si el aleante no se disuelve en el metal base. Quedará como partícula de segunda fase.
  6. El carbono y el nitrógeno son elementos muy endurecedores en el hierro porque ocupan sitios intersticiales.
    Otros elementos ocupan sitios sustitucionales y no son tan efectivos.

 

Endurecimiento por dispersión

 

Consiste en depositar en el metal base un conjunto de finas partículas de óxidos de cerámica, de tamaño aproximado a 0,05 micras.

Actúan estas partículas en los planos de deslizamiento de las dislocaciones, oponiéndose a su desplazamiento.

La deposición excede el límite de solubilidad del aleante en el metal base, con formación de una segunda fase.

Hay, una aleación de dos fases, una relativamente blanda comparada con la dureza de las finas y numerosas partículas aleantes.

El límite entre las dos fases interfiere con el deslizamiento de las dislocaciones, endureciendo el material.

 

Endurecimiento por precipitación

 

Es probablemente el método más eficaz para aumentar la resistencia mecánica de las aleaciones.

Es un proceso complejo, con múltiples transformaciones en la estructura del material que se estudian en los textos especializados de Metalotecnia.

Digamos que se trata de precipitar en el metal base partículas muy duras metálicas de aleantes que limitan el desplazamiento de las dislocaciones.

 

El mecanismo final es el mismo, oposición a las dislocaciones.

 

El endurecimiento por precipitación es muy usado en las aleaciones que se emplean en las estructuras aeronáuticas.

Solo es posible cuando las partículas de los elementos aleados son completamente solubles en el metal base, a alta temperatura.

Alcanzada esta, y enfriando el material en el curso del proceso que se llama tratamiento térmico la solubilidad de los aleados disminuye a medida que baja la temperatura del material.

En este punto los cristales del metal base rechazan a las partículas, que  precipitan la microestructura del metal originando tensiones que se oponen al desplazamiento de las dislocaciones.

 

El proceso de endurecimiento por precipitación tiene tres partes:

 

a.La primera es el tratamiento de solubilización.

Consiste en calentar la aleación por encima de su temperatura de solubilización.

¿Qué significa? Quiere decir que por arriba de esta temperatura toda la aleación está formada por solución sólida (los cristales del metal aleado se han disuelto completamente en el metal base).

b. Enfriamiento rápido (en agua o aceite) para obtener una solución sólida sobresaturada con las partículas de aleación.

Este proceso se llama «apagado».

c. Calentamiento a temperatura intermedia para precipitar en el metal base el exceso de partículas de aleación (recocido).

El metal se mantiene así durante un cierto tiempo para permitir que la precipitación tenga lugar.

El lapso de tiempo se llama envejecimiento

La temperatura que se alcanza en estos tratamientos depende de la composición del metal y del grado de resistencia mecánica.

Por ejemplo, la temperatura de solubílización de las aleaciones de aluminio cobre es aproximadamente de 525 °C.

Por arriba de esta temperatura toda la aleación estará fonnada por solución sólida ya que los cristales formados de Al2Cu están disueltos en aluminio.

 

Endurecimiento por afinamiento de límite de grano

 

Dos granos adyacentes del metal tienen una orientación distinta en la red cristalina de manera que no extraña su acción de oponerse al desplazamiento de las líneas de dislocación.

Se detienen en los límites de grano hasta que el apilamiento de dislocaciones es tal que saltan al grano vecino.

En todo caso debe ponderarse la efectividad de múltiples granos pequeños para contener las dislocaciones.

Un metal con granos pequeños (hablamos de micras) es más dúctil y resistente a la fatiga.