[0:04]Ya conocimos las propiedades de los materiales y lo que se busca para su uso en aeronaves, por lo que ya podemos conocer bien los materiales que se usan dentro de la industria aeronáutica y, ¿cómo no?, también dentro de la industria aeroespacial.
[0:20]Soy Ricardo Aguirre y si quieres conocer más acerca de materiales de uso aeronáutico, quédate aquí en Aeromundo.
[0:40]Los temas del día de hoy, primeros materiales, aleaciones metálicas y materiales compuestos.
[0:56]Los primeros aerodinos que lograron mantenerse en vuelo aparecieron a finales del siglo XIX y principios del siglo XX.
[1:04]Época en la que la tecnología de materiales en el sector de los transportes no estaba tan desarrollada como lo era en otras áreas.
[1:13]Pero a pesar de ello el objetivo siempre fue el mismo, la mayor resistencia con el menor peso.
[1:19]Teniendo como principal premisa lo anterior, se extendió el uso de un material compuesto que se da en la naturaleza desde tiempos inmemorables.
[1:30]La madera.
[1:33]No cabe duda que en cuanto ingeniería respecta la madre naturaleza es la mejor.
[1:39]Y una evidencia de ello es la madera, en el cual nos regaló el primer material compuesto que se usó en la historia de la humanidad, años antes de que surgieran los artificiales.
[1:50]Su bajo peso y alta resistencia la hicieron idónea para los primeros aviones que regularmente eran biplanos.
[1:58]Pero luego se emocionaban y les ponían tres alas y en ocasiones las garigoleaban, poniéndole la cantidad de alas que les naciera del cora.
[2:07]Aún así estas aeronaves demostraban que la madera era fiable estructuralmente, pues volaban a baja velocidad.
[2:12]Y el recubrimiento solo le daba un acabado aerodinámico, pero no soportaba cargas, así que podía ser de tela, cuyo peso era prácticamente despreciable y no había ningún problema.
[2:26]Todo bello aquí, ¿no? Pero al querer ir más rápido y cargar más peso, la madera comenzó a ser dejada de lado, pues tiene el inconveniente de todo material compuesto, se comporta como material frágil.
[2:38]Y el problema con esto es que al rebasar su zona elástica fallaba súbitamente, algo así como que te lleguen al descontón y sin avisar.
[2:46]Para los nuevos requerimientos se necesitaba un material que aún después de exceder su zona elástica, siguiera resistiendo, en resumen un material dúctil.
[3:00]Siempre lo he dicho, no me gustan las guerras, pero la presión que ejerce un conflicto bélico en las naciones estimula y sobre todo acelera el desarrollo tecnológico.
[3:10]Cuando se descubrió el potencial de las aeronaves como armas bélicas, se aplicaron todos los avances que se habían obtenido en el campo de la resistencia de materiales, incorporando el uso de un material dúctil ya bastante conocido, el acero.
[3:27]A diferencia de los materiales frágiles, los materiales dúctiles al rebasar su zona elástica aún pueden soportar esfuerzos, por lo que fueron una excelente elección para ir más rápido y cargar más peso.
[3:38]Esta idea ya se había analizado previamente para aviones con recubrimientos metálicos, cuya rugosidad era ideal para mejorar la aerodinámica del avión.
[3:49]Fue así como los alemanes se animaron a realizar el Junkers 1, aeronave totalmente de acero que resultó ser innovadora para su época, pero también era muy pesada y difícil de volar.
[4:02]Aunque este material ya se venía usando para herrajes y otras partes de aeronave, se descartó la idea de usar aviones totalmente hechos de acero, su uso se extendió para partes específicas donde eran requeridas sus propiedades.
[4:15]Y es que el acero no es un elemento como yo lo pensaba en la secu y era por eso que nunca lo hallé en la tabla periódica.
[4:21]El acero también es conocido como aleación hierro carbono y dependiendo del porcentaje de carbono tendrá mayor o menor rigidez.
[4:29]Siendo menor con poca cantidad de carbono e incrementándose a medida que la cantidad de carbono también lo hace.
[4:36]Por ello se busca un rango medio en los aceros de uso aeronáutico, ya que aquí se encuentran los aceros más dúctiles.
[4:43]El acero también tiene la peculiaridad de cambiar su microestructura al exponerse a temperaturas elevadas o bien diversos tratamientos térmicos que se valen de esta propiedad.
[4:54]Aparte del carbono, el acero también puede contener otro tipo de elementos y con base a estas combinaciones se encuentran distintas propiedades para usos específicos.
[5:04]Estos tienen una nomenclatura de cuatro dígitos según la SAE, donde el primero indica el elemento que se añade al acero.
[5:11]El segundo el porcentaje de dicho elemento y los dos últimos indican el porcentaje de carbón.
[5:18]Para hablar de forma general nos centraremos en el primer dígito, pues el segundo y los dos últimos ya dependen de la aplicación.
[5:27]El uno corresponde al acero sin alear con otro elemento, aunque cabe agregar que el nivel de pureza nunca va a ser 100%.
[5:35]Siempre tienen impurezas, pero aquí se procura que estén al mínimo.
[5:39]Se usan en estructuras tubulares como fuselajes reticulares o bancadas de motor.
[5:46]Los aceros 2 corresponden a los aleados con níquel y se emplean frecuentemente en pasadores, terminales, pernos y abrazaderas.
[5:54]Los aceros 3 corresponden a los aceros níquel cromo, los cuales son altamente resistentes a la corrosión y a las altas temperaturas, por lo que se utilizan en cojinetes y rodamientos.
[6:08]Los aceros 4 corresponden a los aceros cromo molibdeno, que se caracterizan por ser tenaces.
[6:14]Se utilizan en bancadas de alta potencia y ejes muy demandados mecánicamente, como lo son ejes de turborreactores.
[6:21]Los aceros 5 son también conocidos como aceros inoxidables, pues el cromo le da una protección al acero contra la oxidación.
[6:30]Se usan en partes que requieran ser dúctiles y estén muy expuestas al ambiente.
[6:35]Los del 6 corresponden a los cromo vanadio y tienen alta resistencia a los impactos, a la fricción y a la alta tenacidad.
[6:43]Se usan para láminas, resortes y herramientas aeronáuticas.
[6:49]Los aceros 7 son aquellos que contienen Tusteno y presentan buena resistencia ante amplios rangos de temperatura.
[6:56]El acero 8 corresponde al níquel cromo molibdeno y los 9 a los aceros al silicio, pero estos ya no tienen un uso tan extendido en la aeronáutica.
[7:10]El acero era una opción viable por ser relativamente fácil de extraer, pero su gran inconveniente era su alta densidad.
[7:17]Aunado a esto también tenía baja resistencia a la corrosión, con el pasar de los años y con la Segunda Guerra Mundial como acelerador del crecimiento industrial, se mejoraron los procesos de extracción de materiales, donde aparecerían las aleaciones más usadas durante los próximos años en la industria aeronáutica y también en la industria aeroespacial, las aleaciones de aluminio.
[7:42]Las aleaciones de aluminio entran en la categoría de aleaciones no ferrosas y que tienen propiedades mecánicas óptimas, pero sobre todo una baja densidad y, por tanto, menor peso.
[7:56]Junkers aún quería conseguir un avión completamente metálico y el aluminio era la opción para lograrlo, pues su bajo peso permitió recubrir la piel del avión con este material.
[8:08]Además que el recubrimiento también podría ser capaz de disipar cargas.
[8:11]Fue así como en 1919 nace el Junkers F13, monoplano y con un acabado metálico que lo hacía muy curvo y lineal.
[8:19]A medida que las aleaciones de aluminio demostraron ser fiables, empezó a extender su uso y nacieron íconos de la aviación como el DC3 y también varias aeronaves, sobre todo de la Segunda Guerra Mundial.
[8:31]Al igual que el acero, el aluminio también tiene su código de clasificación dado por la Aluminum Association.
[8:38]Dicho código consta de cuatro dígitos, donde el primero indica el elemento de aleación predominante.
[8:42]El segundo indica las impurezas y los dos últimos el porcentaje de los aliantes.
[8:49]Vamos a empezar por la serie que vale 1000, la serie 1000.
[8:53]Aquí encontramos la aleación con 99% de aluminio y el resto de impurezas, mayoritariamente de hierro y silicio.
[9:01]Debido a su pureza presenta buena conductividad térmica y a pesar de ser tenaz, tiene malas propiedades mecánicas, razón por la que no encuentra mucho uso en aviación.
[9:12]Las aleaciones 2000 corresponden a las aleaciones de aluminio cobre y tienen un uso muy extendido en aeronáutica.
[9:18]Usándose en la piel de la aeronave, soportes de tren de aterrizaje y fuselaje en general, gracias a su tenacidad a la fractura y alta resistencia mecánica.
[9:30]Estas aleaciones al agregársele un porcentaje de entre .5 a 3.5 de litio, no solo mejora sus propiedades mecánicas, también se disminuye el peso, hallándose así en las superficies de control, mamparos, pisos y cubiertas.
[9:45]Estas también se encuentran en la industria aeroespacial, pues las propiedades antes mencionadas los hacen propicios para aplicaciones estructurales en los cohetes y en sus tanques criogenizados.
[9:55]Entre las aleaciones más usadas de esta serie, están la 2014, la 2024 y la 2090.
[10:04]Las aleaciones 3000 no son tratables térmicamente y se caracterizan por tener como elemento principal que los compone al manganeso.
[10:12]Cuenta con una gran capacidad de ser trabajado y soldarse, así como una alta resistencia a la corrosión, moderada resistencia a la tensión y muy buena maquinabilidad, pero no son muy usadas en aeronáutica.
[10:25]Las aleaciones 4000, de igual manera, no son tratables térmicamente y se caracterizan por tener como elemento principal al silicio.
[10:33]Sus virtudes son su bajo punto de fusión, por lo que es extensamente usado en trabajos de soldadura por alambre.
[10:39]Debido a no tener propiedades térmicas favorables, tampoco haya mucho uso en aeronáutica.
[10:45]Las aleaciones 5000 son las más resistentes de las no tratables térmicamente.
[10:50]Cuenta con propiedades de alta resistencia a la corrosión, así como una resistencia moderada a alta a la tensión y excelente ductilidad.
[10:57]Se usan en remaches y pernos fusibles.
[11:02]En las 6000 los principales aliantes son el magnesio y el silicio, es un material altamente resistente a la tensión y además cuenta con alta resistencia a la corrosión.
[11:11]Es una de las aleaciones más ligeras con altas propiedades mecánicas, además de ser fácil de trabajar, soldar y doblar.
[11:18]Se usan en aviaciones medio abajo, pues su alto contenido de magnesio genera inconvenientes.
[11:24]Se encuentra principalmente en tanques de combustible, tornillos y tubos.
[11:29]De esta serie se puede destacar la aleación 6061.
[11:33]En las aleaciones 7000 hallamos al zinc como aliante principal, son altamente resistentes a la tensión y a la fatiga, inclusive dicha resistencia se puede comparar con la del acero, pero con la ventaja de ser más ligeras, resistentes a la corrosión y fáciles de trabajar y de soldar, haciéndolas idóneas para aplicaciones en partes de aeronave que estén fuertemente sometidas a cargas.
[11:53]Se usan para pieles, remaches, pernos, placas y además partes expuestas, sobre todo a la fatiga.
[12:01]La más utilizada de esta serie y que también se puede decir que es la aleación más utilizada actualmente en la aeronáutica, es la 7075.
[12:10]La serie 8000 corresponde a elementos aliantes distintos a los mencionados anteriormente, donde se encuentran principalmente las aleaciones de aluminio litio.
[12:19]Aquí se pueden mencionar las 8090 que compiten con las 2024, pues es ligeramente más rígida y menos densa que la aleación de aluminio cobre.
[12:28]Las series 9000 corresponden a series poco usuales y su aplicación es casi nula aún.
[12:36]Con la llegada del motor a reacción a finales de la Segunda Guerra Mundial, se buscaba hacer aviones más grandes, más resistentes, más fuertes y sobre todo más veloces.
[12:46]Aviones que años después lograrían rebasar la barrera del sonido, encontrándose con ciertos problemas térmicos a la hora de hacerlo.
[12:53]Además de esto las tensiones después del conflicto bélico habían llegado a tal punto, en donde se desató una batalla entre potencias por los cielos, quien dominara el espacio, tendría ganada esta batalla.
[13:05]Todo lo anterior detonó el uso de uno de los materiales más icónicos tanto de la industria aeronáutica como aeroespacial, el titanio.
[13:15]El titanio presentó una ventaja ante el aluminio, pues también contaba con propiedades mecánicas muy buenas, pero sobre todo la resistencia a la fatiga que lo hace óptimo para la industria aeroespacial.
[13:27]Aunque su principal ventaja era su alta resistencia a la corrosión y su resistencia a temperaturas moderadamente altas.
[13:34]Una de las aeronaves icónicas que estaba casi construida en su totalidad por este material era el SR-71 Blackbird.
[13:41]Ya que debido a las grandes velocidades que alcanzaba hacían que su estructura fuera susceptible a la expansión térmica, producto del calor generado por el rozamiento con el aire.
[13:50]Fue por ello que se construyó con paneles de titanio que se expandían en vuelo crucero.
[13:55]Se dice que en frío dichos paneles estaban tan separados que tenían que poner bandejas para recuperar el combustible que perdía.
[14:04]Aunque suene como la solución a todo y a pesar de ser un elemento abundante en la corteza terrestre, tiene algunos inconvenientes.
[14:12]El precio de las aleaciones de titanio es elevado, cuesta unas ocho veces más que el aluminio, por tanto, se emplea cuando no existe un material sustituto de la aplicación.
[14:22]Su mecanizado y conformado es difícil y su único sustituto en reparaciones estructurales debe ser el propio material o bien un acero equivalente.
[14:33]Debido a lo anterior y gracias a sus propiedades lo hacen un material de uso específico, pues funde alrededor de los 1700 grados Celsius, 200 más por encima del punto de fusión del acero.
[14:44]Razón por la que se encuentra en álabes de fan y compresores.
[14:49]Basado en su diagrama de fase podemos encontrar los tipo alfa, beta y alfa más beta.
[14:55]El alfa es ideal para aplicaciones en motores turborreactores debido a que tiene gran resistencia a la fluencia, o bien a la deformación progresiva cuando permanece una carga.
[15:07]Y en él se hallan los subtipos super alfa, que es el más usado en el ámbito aeroespacial y el near alfa.
[15:13]Las aleaciones beta tienen mayor resistencia mecánica y son más dúctiles que la clase alfa.
[15:19]Pero su uso es parcial en aviación, pues tienen menor resistencia a la afluencia.
[15:24]Este tipo de aleación es con la que se construyen las partes más robustas de los trenes de aterrizaje.
[15:31]Como ven mi gente, lo ideal sería tener lo mejor de dos mundos, un poco de lo bueno de ambas y así mero es como la alfa más beta es, encéneme, pues.
[15:41]Estas poseen excelente resistencia mecánica y a la fatiga, propiedades que llegan de la mano de la fase alfa, además de tenacidad y fluencia, propiedades que provienen de la fase beta.
[15:52]Aquí encontramos la aleación TI6A4V, que es la más usada para aplicaciones que requieren titanio.
[15:59]Como dato, esta abarca la mitad de todos los pedidos que hacen los fabricantes de aviones y motores.
[16:05]Los álabes de algunos motores fan, así como la sección de compresión de los motores a reacción, usan esta aleación, aplicable hasta unos 350 grados Celsius.
[16:16]Con la inminente llegada de la era del jet, los motores a reacción se desarrollaban a pasos agigantados, incorporando materiales modernos altamente resistentes a las altas temperaturas.
[16:26]Así la sección de potencia, o sea la turbina, aprovecharía de mejor manera la energía proporcionada por el proceso de combustión.
[16:34]Aquí surgen las superaleaciones, que se crearon para diversos componentes de las secciones calientes del motor, entre ellas álabes de turbina.
[16:43]Cuya composición principal se basa en el elemento del níquel por su resistencia a altas temperaturas y este se combina para obtener propiedades más específicas con titanio, aluminio, wolframio, molibdeno, entre otros materiales.
[16:56]Por cierto, suscríbete.
[16:59]Además de álabes de turbina y otras aplicaciones específicas que pueden encontrar este tipo de aleaciones, entre ellas se encuentran las siguientes.
[17:09]Haciendo mención de su nombre comercial, encontramos al Alumel, aleación que se compone del 95% de níquel, 2% de manganeso, 2% de aluminio, 1% de silicio.
[17:22]También encontramos al Cromel, aleación compuesta de 90% de níquel y 10% de cromo.
[17:29]Tenemos de igual manera al Constatan, que es una aleación generalmente formada por 55% de cobre y 45% níquel.
[17:38]Las aleaciones anteriores se encuentran uso en dispositivos llamados termocoples, que funcionan como switch térmico ya que responden a variaciones de temperatura muy bajas.
[17:59]También están las capas que contienen cromer y alumel, que son especialmente resistentes a la oxidación.
[18:08]De la superaleaciones comunes podemos encontrar al Hastelloy D, fuerte, tenaz y extremadamente dura, lo que provoca que sea difícil de mecanizar.
[18:17]El Inconel, que tiene las ventajas del níquel combinadas con las del cromo, lo cual le da resistencia a la corrosión cuando se expone a elevadas temperaturas.
[18:27]Puede soportar la fatiga térmica sin hacerse frágil. Este material se utiliza para las toberas y sistemas de detección de incendios del tipo Fenwall.
[18:35]Finalmente tenemos al Nayomik 90, la cual se destaca por su resistencia a la afluencia, alta tenacidad y estabilidad a elevadas temperaturas.
[18:44]Es la aleación de uso más extendido en la sección caliente de los motores a reacción.
[18:55]La filosofía era la misma, más resistencia menor peso.
[19:00]Y las aleaciones cumplían con estas propiedades, solo que se estaba volviendo cada vez más costoso el obtener aleaciones metálicas de mejor calidad que cumplieran con dichos requisitos.
[19:10]Además que para condiciones de alta resistencia estructural, el acero era todavía la mejor opción, pero no la más eficiente, ya que como hemos visto no es muy ligera que digamos.
[19:21]En los años 80 se comenzaron a usar fibras de distintos materiales contenidas en matrices poliméricas.
[19:27]Quedaban piezas bastante compactas y ligeras, pero sobre todo muy resistentes.
[19:33]Siendo este el inicio de los materiales compuestos artificiales en la aeronáutica.
[19:39]La década de los 80 vio los inicios de lo que hoy se considera la tecnología punta en materiales aeronáuticos y aeroespaciales, los materiales compuestos o composites.
[19:49]Un material compuesto se define como la unión mecánica de dos o más materiales de distinta naturaleza para obtener lo mejor de las propiedades de cada uno.
[19:59]Estos tienen dos partes principales, la matriz que le da forma al elemento y sirve de unión y a su vez le transmite las cargas al segundo elemento que es el refuerzo, que consiste en tejidos de fibras de distintos materiales que soportan las cargas.
[20:15]La magia de estos materiales es que al poner capas de estos tejidos con fibras en distintas direcciones, hacen que su resistencia mecánica aumente brutalmente y lo mejor, son compactos y livianos.
[20:26]Su único inconveniente es el hecho de que siguen comportándose como materiales frágiles, pero su alta resistencia a los esfuerzos deja un margen bastante aceptable para ser aplicados en partes de la aeronave, o como quien dice está sobrado, pues.
[20:41]El Harrier inglés fue de los primeros aviones en utilizarlos, pero sin duda el Airbus con el icónico A320, los introdujo de lleno a la aeronáutica en general, ya que en 1985, el empenaje de estos aviones se fabricó con estos materiales.
[20:56]Combinándolos con matrices metálicas que resultaron en partes livianas y muy resistentes.
[21:02]Hoy en día su uso se sigue extendiendo cada vez más hasta llegar a un punto donde más de la mitad de las estructuras de grandes aeronaves, como el triple siete y el A350, están fabricados con estos materiales.
[21:16]En las grandes aeronaves que requieren de alta resistencia estructural a la tensión, esfuerzos cortantes y también a la fatiga, encontramos estructuras de fibra de carbono combinadas con distintas matrices según la aplicación.
[21:28]Inclusive hay álabes de fibra de carbono con matriz cerámica para partes de motor a reacción.
[21:34]Para aeronaves pequeñas o partes de aeronaves grandes que alojan sistemas de comunicación, se usa fibra de vidrio ya que deja pasar las señales de los radares a diferencia de la fibra de carbono.
[21:44]Aunque esos materiales se introdujeron a principios de los 80, un material que ya venía siendo usado hace años y que tenía una muy buena resistencia a la compresión, la flexión y la absorción de impactos ya se usaba desde los 60 en estructuras aeronáuticas.
[21:59]Las estructuras sandwich o honeycomb constan de estructuras hexagonales cubiertas por dos placas, tanto arriba como abajo.
[22:06]Esto no solo hace muy ligero al material, también lo hace altamente resistente.
[22:11]Es usado en la industria aeroespacial para estructuras de cohetes espaciales, así como en bordes de ataques de transbordadores, mismo uso que se le suele dar en aviones.
[22:23]Canto, Dios, ahora sí me mandé. Esto ya es casi un documental, pero todo sea por ustedes, mi bello público, fino y conocedor.
[22:30]Este sin duda ya es una joya del canal, así que revienta ese like, suscríbete si no lo has hecho y compártelo.
[22:37]Así llegamos a más personas y esto me inspira a hacer contenido cada vez mejor.
[22:40]Únete a la legión de guerreros de Aeromundo y difundamos la aeronáutica por todo el mundo de habla hispana.
[22:50]También y muy importante, complementa y comprueba por ti mismo la información que acabas de ver en este video en la bibliografía que te dejo aquí abajo, donde puedes consultar o bien obtener los títulos físicamente de los cuales yo me baso para hacer estos videos.
[23:04]Los materiales empleados dependen claro del tipo de aplicación y esto a su vez está en función de los esfuerzos a los cuales va a ser sometido dicho elemento estructural.
[23:13]Uy, lo de los esfuerzos es un temazo, pero eso te lo voy a explicar mejor en el siguiente videito.
[23:21]Insisto, ahora sí, insisto mucho que lo compartas porque ahora sí me volé la barda, mis chavos.
[23:27]Hasta la próxima entrega, bye bye.
