Curso de Extensión TALLER AERONAUTICO MATERIALES UTILIZADOS EN ESTRUCTURAS Y COMPONENTES AERONÁUTICOS Departamento de Aeronáutica F.I.- U.N.L.P. - CICARE S.A.

¿Por qué a ciertos materiales los denominamos materiales aeronáuticos? Curso de Extensión ¿Por qué a ciertos materiales los denominamos materiales aeronáuticos? Concepto: obtener un producto aeronáutico (aeronave, motor y hélices) de alta confiabilidad Requerimientos estructurales de acuerdo a la categoría de la aeronave Para cumplir con los requerimientos estructurales y tener confiabilidad se deben certificar los materiales, es decir, debe lograrse calidad y trazabilidad del producto. ¿Cómo se logra esta calidad en los materiales? Cumpliendo con normas Nacional e Internacional aceptadas por las autoridades aeronáuticas. Normas: MIL (Military Standard), ASTM (American Society for Testing and Material), NAS (National Aeronautics Standard), AN (Airforce and Navy aeronautical Standard), etc Departamento de Aeronáutica F.I.- U.N.L.P. - CICARE S.A.

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Materiales Dos grandes grupos: Metálicos y No metálicos Metálicos: Aceros (aleaciones base hierro-carbono), Aceros aleados, Aleaciones no ferrosas (aleaciones de aluminio, de titanio, de magnesio). No Metálicos: Plásticos (termorrígidos, termoplásticos, etc), Materiales compuestos, Maderas. Metálicos Aceros: hierro aleado con el carbono (%C no mayor a 2), y con otros metales. Al aumentar el Carbono se tienen: Ventajas: aumenta la resistencia mecánica (tracción, torsión, compresión, dureza) Desventajas: disminuye la ductilidad, la resistencia a la corrosión y las cualidades para ser soldado.

Clasificación de los Aceros AISI (American Iron and Steel Institute) ó SAE (Society of Automotive Engineer). Son clasificaciones equivalentes. Rangos en %C: entre 0,15 y 0,30, aceros bajo de carbono mayor de 0,30 y hasta 0,5, aceros de medio carbono mayor de 0,50 y hasta 0,9 aceros de alto carbono Nomenclatura: N 1 N2 X X % C (es un rango de valores) Principal aleante en % Designa si es un acero al C o un acero aleado

Aceros al Carbono N1: el 1 designa a los aceros al carbono, otro numero es un acero aleado con otro u otros metales. N2: Puede ser 0 (acero al carbono), 1 acero al carbono resulfurizado, 2 acero al carbono resulfurizado y refosforado, 3 aleado con manganeso. Ejemplo: N2= 3 (manganeso), SAE 1330 Aceros al carbono en estructuras reticuladas aeronáuticas (antiguamente usadas en fuselajes, bancada de motores) no superan el 0.30% de C y nunca es inferior al 0.20%. Más C mayor fragilidad, problemas con la soldadura. Aceros al carbono con mas de 0.30% C hasta 0.90% C se utilizan en la fabricación de herrajes, terminales de comando, flex plate, resortes entre otros componentes.

Aceros aleados Es un acero (Fe-C) fusionado con uno o más metales. El producto final en un material con mejoras mecánicas respecto al material base o acero al carbono.

En la tabla anterior se ha marcado los acero aleados mas utilizados. Algunas aplicaciones en partes y estructuras: SAE 1020 – 1025:Estructuras tubulares de fuselajes (J-3, PA-11, otros) y bancadas de motores. Buena resistencia mecánica, proceso de soldadura oxiacetilénica con excelentes resultados, problemas de corrosión, necesidad de protección anticorrosiva. SAE 1030 – 1045: Ejes, bieletas, terminales de comando, herrajes (clevis fork y rod end). El material se utiliza en barras, forjado. Buenas a muy buenas resistencias mecánicas sin tratamientos térmicos. Problemas de corrosión, procesos de protección anticorrosivo. SAE 4037: Bulones AN (hoy no es el material mas común para este tipo de elementos). Material sin tratamiento térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas.

SAE 4130: Uno de los aceros mas utilizados en estructuras aeronáuticas (bancadas, fuselajes). Se lo utiliza sin tratamientos térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas. SAE 4340: Utilizados para la fabricación de ejes con grandes solicitaciones mecánicas. Sin tratamientos térmicos tiene muy buenas propiedades mecánicas, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas. SAE 8740: Bulones AN, NAS, ejes. Material sin tratamiento térmico, alta resistencia mecánica, gran tenacidad, buena resistencia a cargas cíclicas. SAE 8620: Coronas y piñones de cajas de transmisión de helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle tratamiento de endurecimiento superficial de carburizado.

SAE 9315: Coronas y piñones de cajas de transmisiones de helicópteros y cajas reductoras de turbo ejes. El material, con este porcentaje de carbono, está preparado para realizarle tratamiento de endurecimiento superficial, el proceso es semejante a los comúnmente utilizados pero posee una etapa de enfriamiento criogénica. Cr. Aumenta la resistencia a la corrosión y al disolverse en la austenita aumenta también la templabilidad. En aceros de alto contenido de carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Ní. Disminuye las temperaturas críticas del acero y aumenta la templabilidad de ellos. Se pueden obtener aceros resistentes con menor contenido de carbono, incrementándose la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Mn. Usado para desoxidar y desulfurar. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero. Más del 1% de Mn en el acero se clasifica como un acero aleado al manganeso (como vimos).

Si. Se agrega como desoxidante Si. Se agrega como desoxidante. Junto con manganeso, cromo y vanadio, estabilizan carburos. El contenido en silicio debe ser menor o igual al 0,2% en aceros que se van a soldar, el sílice tiene un punto de fusión muy alto. En aceros obtenidos por moldeo puede ser de hasta 0,3%, le da al acero fundido fluidez. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio deber ser bajo (favorece la descomposición de la cementita en grafito). Mo. Después del carbono es el que provee alta dureza y alto grado de tenacidad. Es un fuerte formador de carburos y aumenta fuertemente la templabilidad de los aceros. Mejora la resistencia mecánica de los aceros a altas temperaturas y reduce la susceptibilidad a la fragilidad en el revenido en aceros al cromo- niquel. V. Refinador del tamaño de grano, también aumenta la tenacidad del acero. Utilizado ampliamente en aceros para herramientas.

Tratamiento térmico de los aceros Consisten fundir el acero hasta ciertas temperaturas y luego producir el enfriamiento rápido o lento dependiendo de las características mecánicas que se pretendan obtener. Los comúnmente utilizado en aeronáuticos son: Normalizado: se calienta el material por encima de la temperatura crítica, se produce la total transformación de la austenita. Se logran estructuras cristalinas (grano) uniformes (perlita fina) cuando el material es enfriado en aire calmo hasta la temperatura ambiente. Aceros tenaces, proceso previo al templado. Templado y Revenido: se calienta el material hasta un rango crítico de temperaturas (depende del % de C). Transformación de la estructura (la perlita pasa a austenita). Enfriamiento rápido (agua, aceite, etc) obteniéndose un grano pequeño y fino (martensita). Estructuras de granos frágiles, se les realiza un proceso de revenido recuperando ductilidad y resistencia a impactos.

Video de tratamientos térmicos Aluminio No se encuentra en la naturaleza como tal sino como un óxido, como todos los metales. A partir de procesar la bauxita (óxido) se logra el aluminio puro. Ventajas: muy maleable, alta capacidad de conducir el calor y la electricidad, muy reflectivo, resistente a la corrosión, de baja densidad si se la compara con el acero (aprox. 1/3 de la densidad del acero) Desventajas: del punto de vista de su resistencia no debe ser aplicado en estructuras ni componentes por su muy baja resistencia mecánica. Solamente puede duplicarse su resistencia por deformación (se logra el doble aproximadamente) y no adquiera resistencia por tratamientos térmicos.

Aleaciones de aluminio La metodología utilizada para mejorar la resistencia del aluminio, incrementándola bastante sin reducir demasiado otras propiedades deseables tales como la ductilidad y la densidad, es aleándolo con uno o más metales o metaloides. Las aleaciones que logran mayor resistencia que el aluminio puro se dividen en dos clases:   las que pueden ser endurecidas por trabajo en frío (deformación a temperatura ambiente). las que responden tanto al endurecimiento por trabajo en frío y tratamientos térmicos o a ambos por separado.

Clasificación del aluminio y sus aleaciones Aluminio puro y sus aleaciones (productos no fundidos) se designación de acuerdo a ANSI (American Nacional Standard Institute) H35.1. Aleaciones fundidas se codifican de acuerdo a ASTM B275. Estas designaciones son internacionales aunque hay países que poseen su propia designación equivalente.

Nomenclatura: Aluminio puro (no aleado) A 1 A2 X X Ejemplo: 1050 se interpreta como un aluminio de 99,50% de pureza, sin especial control de impurezas Mínimo porcentaje de aluminio en centésimas. Este valor va de 0 a 9, es el control de impurezas que se realiza. Se reserva el 1 para Al puro (99% de pureza), los números siguientes definen el principal aleante.

Aluminio aleado A 1 A2 X X Ejemplo: 2024 se interpreta como una aleación de aluminio al Cu. últimas dos cifras sirven para identificar las diferencias de las aleaciones en el grupo. de 0 a 9, cero se trata de la aleación original. Los números del 1 al 9 son consecutivamente indicando las modificaciones de la aleación los 2 al 9 definen el principal aleante.

No metálicos Material compuesto: unión de dos o más materiales disímiles. En general se entiende como material compuesto a la unión entre un tipo de fibra embebida en una matriz polimérica. Existen materiales compuesto con matriz metálica y no metálica y fibras (compuesto C-C, frenos aviones, toberas de cohetes). Maderas Material compuesto natural. Combinación fibras huecas de celulosa unidas con lignina. Son materiales que presentan resistencias semejantes en dos direcciones y muy distinta en una tercera, se los llama materiales anisotropicos y, en este caso, particularmente ortotrópicos.

Materiales compuestos, resinas y refuerzos (fibras), utilizados en estructuras aeronáuticas: Definición: material formado por fibras embebidas en una matriz. Materiales denominados anisotropicos: sus propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, varían con la dirección (pésimos conductores eléctricos y térmicos). Industria aeronáutica Resinas: son del tipo termorrígidas como las resinas epoxies, vinilesteres y fenólicas. Fibras: Vidrio S, Carbono (alto y bajo módulo) y Kevlar (aramida) Función de la resina: matriz que une las fibras, se encargada de transmitir los esfuerzos entre las fibras y protegerlas del medio. Función de las fibras: son los refuerzos que soportan principalmente las cargas actuantes (más rígida y resistente que la matriz).

Clasificación por forma: particuladas, discontinuas y continuas. Fibras Clasificación por forma: particuladas, discontinuas y continuas. Industria aeronáutica usa fundamentalmente continuas (uni, bi y/o multi direccional) dado que se requieren alta rigideces y resistencia. Procesos de fabricación: dependerán del material seleccionado para la matriz y el tipo de aplicación. Procesos típicos de fabricación: Sacos de vacío + autoclave (uso en aeronáutico y espacial) Bobinado (filament winding) (uso aeronáutico y espacial) RTM (Resin Transfer Moulding) (uso aeronáutico y espacial) Braiding Pultrusión (Pultruded) Matriz Termorrígida (curado) Termoplástica (consolidado) Alto desempeño (fibras continuas) Bajo costo (fibras picadas)

Materias primas Resina epoxi Resina Fenólicas Resina Poliéster Tipo de fibras Carbono Vidrio E y S Aramida (Kevlar)