Tema 1 – Introducción
1.1 Materiales para la industria aeroespacial
Criterios de selección de materiales
En el sector aeroespacial se emplean valores específicos de las propiedades (magnitudes
divididas entre la densidad). Por regla general, sólo se considerarán las características mecánicas
cuando no haya cuestiones adicionales que se requieran. La rigidez específica, definida como:
𝐸 √𝐸
𝑜
𝑑
𝑑
Es uno de los parámetros más importantes en el diseño, pues hace al aluminio competitivo con
el acero, y al berilio lo dispone como mejor material estructural.
Otros criterios interesantes en aeronáutica son el comportamiento a fatiga, la tenacidad de
fractura, la tolerancia al daño y degradación, el comportamiento a distintas temperaturas, y la
compatibilidad de unión con otros materiales.
El precio se presenta como otro importante criterio de selección, ya que, con la salvedad del
sector espacial, tendrá muy en cuenta este parámetro. Como conclusión, diremos que la
elección de aleaciones es un problema complejo, donde los problemas que deben tenerse en
cuenta serán contradictorios en muchos casos. Las soluciones de compromiso serán algo
habitual.
1.2 Comparación de propiedades
Red Cristalina
El hierro y el titanio aceptarán tratamientos con transformaciones alotrópicas totales, a
diferencia del aluminio y el magnesio, que no presentan cambios de fase. El berilio podría recibir
dichos tratamientos, pero son inviables.
La red FCC del aluminio y el hierro les confiere alta plasticidad, cosa que no sucede en la red HCP
del magnesio y el berilio. El titanio, pese a ser hexagonal, presenta buena plasticidad por su red
aplastada.
Densidad
Se tendrá en cuenta cuando el peso sea un factor que deba tenerse en cuenta (siempre, en el
caso aeroespacial). Además, se empleará para determinar las propiedades específicas de los
materiales.
Temperatura de fusión
Determina la facilidad con la que tendremos situaciones de fusión. Cuando los materiales
trabajen en caliente, deberá tenerse en cuenta este valor para extrapolar el punto a partir del
cual se empezará a sufrir fluencia (entorno al 40% de la 𝑇𝑚).
1
Temperatura de ebullición
Si se encuentra cerca de la de fusión podrá verificarse evaporación, con el consiguiente riesgo
de explosión (si es en el interior de la pieza), o fenómenos como las pérdidas de magnesio en el
interior del aluminio (como ya vimos en el Tema 1).
Normalmente la temperatura de evaporación de los metales aeroespaciales será del doble de la
de fusión, con las excepciones del magnesio (sólo 400ºC más, de 649 a 1090) y el aluminio,
mucho mejor en este aspecto (funde a 660, evapora a 2520, casi 4 veces más).
Calor específico
Determina la energía necesaria para llevar a cabo distintos procesos como fusión, soldaduras,
etc. Su valor es inversamente proporcional al peso atómico. Influye en la capacidad de enfriarse
rápidamente. El titanio y el hierro tienen valores bajos, por lo que deberá suministrarse poco
calor para elevar la temperatura
(del orden de 400-500 J/(Kg K). Por otra parte, el magnesio y el aluminio, con calores específicos
del orden de 1000 J/(Kg K), necesitarán más aporte energético. Finalmente, el berilio, rondando
los 2000 J/(Kg K), requerirá un aporte térmico mucho mayor.
Coeficiente de dilatación
Se refiere al cambio de tamaño experimentado por los diversos metales al cambiar su
temperatura. Estará relacionado con la presencia de tensiones internas en piezas, pues altos
coeficientes de dilatación harán que las partes más calientes se expandan más, en
contraposición de las zonas frías. El aluminio y el magnesio tienen valores dobles respecto al
berilio y al hierro, y cerca del triple del titanio, que ronda los 8,8 × 10−6 1𝐾.
Conductividad térmica
Esta magnitud nos da una idea de la facilidad del calor para moverse por el interior de cada
metal. Si la conductividad es baja, al calentar una pieza se originarán fuertes gradientes térmicos
(caso del titanio). Si, por el contrario, es baja, será un buen metal para disipar calor, aunque la
soldadura será complicada (caso del aluminio).
Los gradientes térmicos antes mencionados se relacionan con las tensiones internas de la pieza.
Tensiones superiores al límite elástico provocarán deformación plástica, mientras que tensiones
muy superiores al límite generarán roturas.
Conductividad y resistividad eléctrica
En esta propiedad será más interesante el valor específico, por la potencial utilización en
cableado de aeronaves. La presencia de impurezas o precipitados disminuirá el valor de esta
propiedad, por la distorsión introducida en la red.
Berilio, aluminio y magnesio tienen valores de conductividad de entre el 60% y el 40% del cobre,
mientras que el hierro y el titanio serán conductores mucho peores. De hecho, el titanio (3% de
la conductividad del cobre) puede usarse como aislante.
2
Potencial electroquímico
Con metales en contacto, se corroerá el más electronegativo. Esto nos brinda la posibilidad de
emplear ánodos de sacrificio (generalmente el magnesio). La presencia de aleantes será
determinante para poder estimar el comportamiento a corrosión.
Relación entre el volumen de óxido y el de metal
Dicha relación (llamada de Pilling-Bedworth) determina si la capa de óxido es capaz o no de
proteger al metal que se encuentra debajo de él. Si el valor de la relación es menor de 1, la capa
de óxido será demasiado fina y no protegerá (magnesio, 0,8), si se encuentra entre 1 y 1,9 será
buena para proteger (con su punto óptimo en 1,75, como el titanio y el berilio).
Valores mayores generarán capas demasiado gruesas de óxido, que se desprenderán por peso,
como le sucede al hierro.
Módulo elástico
El módulo elástico es la magnitud que define la resistencia del material a ser deformado
elásticamente, por tanto, su rigidez. Nos interesarán valores elevados de módulo elástico.
Además influirá en el tipo de deformaciones que admite cada material.
El aluminio puro tiene un módulo elástico de 70GPa, que puede elevarse notablemente
mediante aleación. El hierro tiene unos 215 GPa, y el titanio ronda los 105 GPa.
Contenido de la corteza terrestre
El aluminio, el hierro y el magnesio son muy abundantes (8, 6, 2% respectivamente), no así el
berilio (sólo hay trazas). El titanio se encuentra en un punto intermedio (0,8%) entre ambos.
Producción y precio
El precio de los metales fluctúa con rapidez y de forma brusca (el hierro oscila entre 0,5 y 2 €/kg,
mientras que el titanio entre 100 y 200 €/kg). La demanda será determinante para fijar el precio,
y éste dependerá de unas zonas a otras, en base a la cercanía a los yacimientos y a razones
geopolíticas.
3