Aleaciones para Estructuras Aeroespaciales.Preguntas de Examen por Tema

E.T.S.I.A.

22/08/2015 piLi

Indice

I ALEACIONES PARA ESTRUCTURAS AEROESPACIALES 1

1. PROCESOS DE ROTURA EN METALES Y ALEACIONES 3

2. ALEACIONES ALUMINIO-LITIO 7

3. ALEACIONES DE ALUMINIO PARA MOLDEO 9

5. SUPERPLASTICIDAD 13

6. UNION POR DIFUSION (DIFFUSION BONDING) 15

7. EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES 17

9. EL BERILIO 19

10. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA 21

11. LAMINADOS DE ALUMINIO 23

II ALEACIONES DE TITANIO 24

12. OBTENCION Y PROPIEDADES 25

13. ELEMENTOS DE ALEACION. TIPOS DE ALEACIONES 27

14. TRATAMIENTOS TERMICOS 29

15. ALEACIONES DE TITANIO 31

III ACEROS DE RESISTENCIA 35

16. ACEROS DE ALTA RESISTENCIA (UHS) 37

I

Parte I

ALEACIONES PARA ESTRUCTURASAEROESPACIALES

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1. PROCESOS DE ROTURA EN METALES Y ALEACIONES

1. Entre los artıculos que esta prohibido llevar en el equipaje a la hora de hacer un viaje enavion se encuentran los termometros de mercurio. Indicar razonadamente los motivos dedicha prohibicion y comentar en que consiste el problema que puede originarse ası como susconsecuencias.Convocatorias: (J07,J10,-)

La razon de dicha prohibicion reside en el riesgo de rotura del termometro, con la probabledispersion del mercurio de su interior.

Si dicho mercurio llegase a contactar con algun elemento estructural de aleacion de aluminioo titanio sometido a cargas de traccion, se tiene una elevada probabilidad de que en esa zonade contacto se desarrolle un proceso de fragilizacion por contacto con otro metal, general-mente de bajo punto de fusion, y con un mayor riesgo si, como en el presente caso, dichometal esta en estado lıquido.

En las condiciones citadas, se producira una nucleacion de grieta en la superficie de la piezaen la zona de contacto con el mercurio, que ira progresando hacia el interior de forma prefe-rentemente intercristalina, hasta incluso provocar la rotura completa del elemento afectado.

2. La rotura instantanea fragil en modo I.Convocatorias: (S10)

(a) Comentar razonadamente en que condiciones puede producirse y como ocurre.

En este modo de fractura se supone la existencia previa de grietas o defectos de sufi-ciente tamano en el material, que presentan una fuerte concentracion local de tensionesen sus bordes. Debido a esto, para bajas tensiones exteriores, inferiores al lımite elastico,se alcanza en el borde de la grieta tension suficiente para la propagacion de la misma.Esta propagacion de grieta se puede producir por descohesion a lo largo de algun planocristalografico de cada cristal o por rotura a traves de los bordes de grano.

(b) Indicar las variables que influyen, y como lo hacen, en la tension exterior que se precisapara que se origine este proceso de rotura.

Las variables que influyen en la tension exterior que se precisa para que se origine estarotura es:

• Su enlace y su redLos metales con red fcc no presentan este tipo de fractura. Los metales con red hcpresentan pocos sistemas de deslizamiento, los metales con red bcc hay sistemassuficientes pero la deformacion plastica a baja T resulta incoherente inhomogenea.La tension de propagacion sera menor para metales hc que para los bcc.

• Tamano de granoUn tamano de grano fino precisa una mayor tension para propagar la grieta

• TemperaturaAl aumentar la temperatura la tension necesaria para propagacion de la grietaaumenta.

• TriaxialidadLos estados de triaxialidad en el frente de la grieta disminuye la tension necesariapara la propagacion de la grieta

3. Procesos de rotura largos a alta temperatura

3

Convocatorias: (J09)

Para la fractura a alta temperatura se requiere una carga constante aplicada durante el tiemposuficiente, se pueden producir tres tipo de fractura:

• Ruptura.Presenta una reduccion de seccion casi del 100 %. Precisa elevada tension y tempera-tura, y debido a esto esta asociada a restauracion o recristalizacion dinamica. Se da enmetales muy puros, solo en los que no se produce nucleacion de mircrovacıos. Pura-mente academica, ya que nunca pondremos a trabajar a un metal a esta temperatura.

• Fractura transcristalina por fluencia.Es un proceso analogo a la rotura ductil, pero ocurre a tensiones mas bajas. Tiene tresetapas: nucleacion de microvacıos (preferente en inclusiones o partıculas), crecimientoy coalescencia. Esta asociada a fluencia con altas ε y σ. El crecimiento y coalescenciaesta favorecido por fluencia difusional y/o por dislocaciones. Da lugar a una notablereduccion de seccion y se produce una rotura ductil macroscopica con gran deforma-cion plastica.

• Fractura intergranular por fluenciaTienen lugar para ε y σ menores. Se forman cavidades con forma esferica o de cuna,que pueden formarse en cualquier borde de grano, pero solo creceran coalesceran encaras perpendiculares a la tension de traccion. Rotura macroscopicamente fragil y muyfrecuente en piezas que trabajan a fluencia.

4. Preguntas sobre la practica de KICConvocatorias: (J09)

5. Fractografıa de practicasConvocatorias: (J11)

6. Cadmiado de aceros, fragilizacion por HConvocatorias: (J11)

La presencia de H en los metales es un fenomeno muy peligroso porque disminuye la plas-ticidad y provoca fracturas fragiles y por carga estatica diferida. Ademas existe un riesgo defragilizacion durante el cadmiado de piezas aeronauticas, proceso que mejora el comporta-miento a corrosion del acero. El Cd actua de barrera entre el acero y el Al para que no setoquen y se prevenga la corrosion. Es necesario un proceso de deshidrogenacion que debeaplicarse inmediatamente tras un proceso de acabado superficial peligroso.

7. Rotura ductil: etapas y como se produceConvocatorias: (S11,J14)

Este proceso implica suficiente deformacion plastica del material y notable cantidad de energıaabsorbida. Se nuclean cavidades, que son menos peligrosas. La concentracion de tension queacumula es menor que en los bordes de una grieta. Se distinguen tres etapas:

1. Nucleacion de microvacıos, preferentemente en inclusiones de tensiones que acumulaes menor que en los bordes de una grieta

2. Crecimiento de su tamano

3. Coalescencia de los microvacıos.

Los microvacıos se nuclean preferentemente en inclusiones o en otras partıculas de 2º fase, demayor dureza que la matriz. Al superarse el lımite elastico del material, la matriz se deforma

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plasticamente, esas fases entorpecen la deformacion con lo que se produce una acumulacionlocal de dislocaciones y fuertes tensiones sobre las partıculas.

La formacion de los microvacıos ocurre por la rotura fragil de las fases o el despegue dela matriz por la entrecara. Al aumentar la deformacion plastica los microvacıos crecen detamano y se forman otros nuevos.

La fractura se produce por union de cavidades, cuando existe una gran cantidad de cavida-des grandes. A mayor cantidad y tamano de las segundas fases menor plasticidad.

8. Practicas –¿micrografıas de MEB era fatiga, rotura ductil y fragil (tipo 2)Convocatorias: (J10,-)

9. Temperatura de transicion ductil-fragil, influencia del tamano de grano, contenido e impu-rezas.Convocatorias: (S04)

Es la temperatura en torno a la cual se produce un cambio en el comportamiento del material.Se denomina por Tc. Por debajo de esta temperatura el comportamiento se hace fragil, porlo que el problema cobra importancia cuando se trabaja a bajas temperaturas. El valor de Tcdepende mucho del ensayo realizado y del criterio fijado para determinarla. Los factores queinfluyen en su aparicion son:

• Red cristalografica

• Tamano de grano (mejor pequeno)

• Composicion: las impurezas suben Tc

• Microestructura

Los metales fcc son inmunes a este problema. Los hc sı presentan este problema, excepto elTi. Los metales bcc la presentan todos, por lo que no se pueden usar a baja T. En el acerodepende de muchos factores: elementos intersticiales (la suben mucho), impurezas de P y S,microestructura, aleantes (el Ni la baja y el C la sube). . .

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2. ALEACIONES ALUMINIO-LITIO

1. Perdida superficial de propiedades mecanicas en piezas y semiproductos de aleaciones dealuminio con litio.Convocatorias: (J09,S10)

(a) Comentar las razones a las que se debe el desarrollo de este problema y en que condi-ciones se favorece su aplicacion

Durante la permanencia a altas temperaturas (T ą 260 ˝C), el Li tiende a emigrar a lasuperficie y reaccionar con el O2; se trata de un proceso que esta controlado por difu-sion, de modo que aumenta con la temperatura y con el tiempo, por lo que debemosminimizar estos parametros durante los tratamientos termicos.

(b) Consecuencias que de ello se derivan respecto de su posterior comportamiento en ser-vicio

• La zona superficial se ve empobrecida en Li, lo que provoca una menor precipita-cion, con el consecuente menor endurecimiento local.

• Posible formacion subsuperficial de porosidad, que es muy peligroso, ya que fa-vorece la aparicion de grietas de fatiga.

• La influencia en las caracterısticas mecanicas es que disminuye las propiedades enchapas delgadas, con una posible influencia en la fatiga.

• Formacion de oxidos, hidruros y carbonatos de Li que son sustancias potencial-mente daninas en contacto con la piel y los ojos y tambien son en el caso de inha-lacion. Por lo que es necesario tomar medidas de seguridad.

(c) Posibles medidas a aplicar para minimizar o eliminar los efectos de esta anomalıa

Conviene eliminar siempre que sea posible la capa superficial deteriorada. Los proble-mas se pueden minorar si el tratamiento se realiza en sales en vez de en aire.

2. Ventajas e inconvenientes de las aleaciones de Al-Li frente a las convencionalesConvocatorias: (S04,S11,-,J15)

Ventajas

3 Mejora la tenacidad: la precipitacion deθ1 S1 T1, la deformacion plastica en el es-tado W, un tratamiento de submadura-cion (T8) y las estructuras recrislalizadas

3 Disminuye la densidad

3 Aumenta el modulo elastico

Inconvenientes

7 La deformacion en caliente genera unanotable textura, efecto que es aun masdestacado en las aleaciones de Al-Li

7 Deterioran la tenacidad: la precipitacionintergranular de δ y/o T2, asociada a laformacion de zonas libres de precipita-do, el cizallamiento de δ1 que concentrala deformacion

7 La nucleacion de grietas en este tipo dealeaciones puede ser mas facil.

7 Son muy costosas, entre el doble y el tri-ple que la aleacion convencional.

3. Aleacion Aluminio-Litio y diferencias con las aleaciones convencionales aeroespaciales

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Convocatorias: (J10)

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3. ALEACIONES DE ALUMINIO PARA MOLDEO

1. El afino de grano en las aleaciones de aluminio para moldeoConvocatorias: (J07,J11,S11)

(a) Ventajas de tener un tamano de grano fino sobre la calidad final de la pieza y sus pro-piedades

Las ventajas de tener un tamano de grano fino son:

3 Porosidad menor y/o mas uniformemente repartida

3 Menos cantidad de microcavidades en contraccion

3 Menor tendencia al agrietamiento en caliente (menor temperatura de coherencia)

3 Mejor estanqueidad de la pieza

3 Menor segregacion de aleantes Ý Propiedades mas homogeneas tras el tratamien-to termico

3 Mejores propiedades mecanicas, tanto de resistencia como de plasticidad

3 Mejor maquinabilidad

3 Mejor aspecto tras el anodizado

(b) Comentar el mecanismo usualmente utilizado en la actualidad para afinar el grano delas piezas de aleaciones de aluminio moldeadas.

En la actualidad, el mecanismo mas utilizado para afinar grano es la adicion a la aleacionde una pequena cantidad de Ti + B, que genera la formacion en el seno del lıquido de unafina dispersion de boruros y carburos de titanio y aluminio, que actuan como nucleantesdurante la solidificacion, favoreciendo la formacion de una gran cantidad de cristales dealuminio, y por tanto, un tamano de grano fino.

2. En las micrografıas adjuntas, obtenidas a 200 aumentos, pueden verse las microestructurastıpicas de dos aleaciones de la familia de Al-Si para moldeo (que denominaremos A y B).Convocatorias: (J09)

Fig. 3.1: Aleacion A Fig. 3.2: Aleacion B

(a) Comentar la microestructura que presenta cada una de ellas.

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(b) Comparar razonadamente la dureza, lımite elastico, tenacidad y resistencia al desgastede ambas aleaciones.

3. La “agrietabilidad en caliente” durante el proceso de moldeo en aleaciones de aluminio.Definicion del problema. Indicar las caracterısticas de la aleacion que influyen sobre la agrie-tabilidad y como lo hacen.Convocatorias: (S10)

La agrietabilidad en caliente es la tendencia a la formacion de grietas en una pieza moldeada,debida a los esfuerzos internos que se producen en la solidificacion. Durante la solidificacion,las aleaciones de Al se contraen entre un 2 % y un 8 %; esa contraccion origina tensiones en laparte ya solidificada, por lo que aumenta el riesgo de formacion de grietas intergranulares. Ellıquido al pasar a solido cambia de coeficiente de contraccion drasticamente, lo que provocala aparicion de grandes tensiones, de modo que llega un momento en el que el solido noresiste mas y se agrieta.

El agrietamiento puede ocurrir en el intervalo entre la temperatura de coherencia y la desolidus que es denominada como zona de fragilidad. El riego de agrietabilidad en calientedepende de las caracterısticas de la aleacion y de las caracterısticas del moldeo. Las carac-terısticas de la aleacion son:

• El margen de la solidificacion

• Contraccion volumetrica de la aleacion. Cuanto mayor sea la capacidad de contraerse,mayor es la agrietabilidad.

• Resistencia del solido a temperatura elevada

• Tamano de grano. Mejor fino, que influye por la baja temperatura de coherencia.

4. Dadas las siguientes aleaciones Al-Si para moldeo.Convocatorias: (S11,J15)

%Si % Cu % MgAleacion 1 6 5 -Aleacion 2 8 - 8Aleacion 3 17 - -Aleacion 4 23 - -

Indicar razonadamente:

(a) ¿Cuales son tratables termicamente?

(b) ¿Cual tiene la mejor resistencia a corrosion ?

(c) ¿Cual tiene la mejor resistencia al desgaste por rozamiento?

(d) ¿Cual tiene peor moldeabilidad?

5. Aluminio de Moldeo. Comparar diversas aleaciones (variaban los aleantes, todas tenıan Si:eutectica Si (12 %); hipoeutectica Si(8 %)-Mg, hipereutectica Si(16 %)-P, eutectica Si(12 %)-Nay decir cuales eran (rellenar tabla): tratables termicamente, mejor corrosion, mejor resistenciaa 500 ˝CConvocatorias: (J10)

6. Aleaciones de Al-Si de moldeo, ¿que es la modificacion? ¿como se hace? Beneficios.Convocatorias: (S04,J14)

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La estructura normal de la eutectica son placas de Si en matriz de Al. Estas placas hacen fragilla aleacion, empeorando cuanto mas basta es la estructura. La modificacion es un procesomediante el cual se sustituye la estructura de placas por otra fibrosa, mucho menos fragil.

La realizacion del proceso consiste en la adicion al metal lıquido de elementos modificadores.Como resultado obtenemos aleaciones que mejoran su resistencia, ductilidad y la maquina-bilidad.

La modificacion es tanto mas conveniente cuanto mayor sea la cantidad de eutectica que hayy cuanto mas lenta sea la solidificacion.

Por otro lado, este proceso afecta a la moldeabilidad (aunque se ve compensado con la mejorade las propiedades mecanicas). Los efectos que se observan al respecto son: la reduccion dela fluidez y que favorece la porosidad.

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5. SUPERPLASTICIDAD

1. La cavitacion durante el conformado superplastico de aleaciones metalicas.Convocatorias: (J07)

(a) Comentar en que consiste este fenomeno y que consecuencias tiene sobre las propieda-des finales de la pieza

La cavitacion consiste en la progresiva formacion de cavidades intergranulares duran-te la deformacion superplastica del material. Una vez iniciado el proceso, un numeroprogresivamente mayor de esas cavidades se van formando en los bordes de grano,preferentemente en uniones triples y en las entrecaras entre fases diferentes. Durante laprogresiva deformacion plastica, va aumentando el numero de cavidades y el tamanode las mismas.

La presencia de dichas cavidades deteriora significativamente las propiedades mecani-cas del material, disminuyendo la resistencia, plasticidad y tenacidad, empeorandoseademas el comportamiento.

(b) Comentar razonadamente como influye, sobre la cantidad de cavitacion desarrolladadurante el proceso, la velocidad de deformacion utilizada, la temperatura a la que se harealizado la deformacion, la cantidad total de deformacion aplicada y la diferencia dedureza entre las fases presentes en la aleacion.

A mayor velocidad de deformacion, menor tiempo hay para que actuen los mecanismosde adaptacion de las entrecaras de grano y de “relleno” de las cavidades que pudiesenoriginarse al deslizar un grano respecto de otro, por lo que aumentara la cavitacion.

La temperatura actua de manera contraria, ya que favorece la difusion y el movimien-to de las dislocaciones, por lo que se favorece el transporte de masa para rellenar losposibles huecos intergranulares, de manera que a mayor temperatura de conformado,menor cantidad de cavitacion se producira.

La cantidad de deformacion aplicada es igualmente un parametro importante, ya que amayor deformacion, mayor probabilidad habra de generacion de cavidades, porque seha producido una mayor cantidad de deslizamiento intergranular, proceso durante elcual se generan precisamente esos huecos.

Finalmente, a mayor diferencia de dureza entre las fases presentes, mayor cantidad decavitacion se producira en la entrecara de ellas, debido a la dificultad de acoplar la de-formacion plastica en la entrecara de dos fases con durezas muy distintas, y por tanto,con capacidades de deformacion plastica muy diferentes.

2. Superplasticidad estructural.Convocatorias: (S11,J15)

(a) Cuales son los mecanismos de deformacion durante este fenomeno

(b) Comentar sus efectos en la KIC

3. Superplasticidad y soldadura por difusion –¿m, tamano grano, cavitacion, velocidad...(propiedadesen general)Convocatorias: (J10)

4. Test de superplasticidad y soldadura por difusionConvocatorias: (S04,-)

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6. UNION POR DIFUSION (DIFFUSION BONDING)

1. Comentar los diferentes procesos que se desarrollan durante las distintas etapas que conllevala soldadura por difusion de dos piezas metalicas.Convocatorias: (S10)

2. Influencia de presion, temperatura, tamano de grano y rugosidad en soldadura por difusionConvocatorias: (J09)

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7. EL MAGNESIO Y SUS ALEACIONES

1. Dadas las siguientes aleaciones de magnesio para moldeo, cuya composicion se expresa enla tabla adjunta en % en peso:Convocatorias: (J07)

Aleacion %Mg %Al %Zn %Zr %Fe %Y %Mn %TRNº1 Base - 0,1 0,6 0,05 4 - 2,5Nº2 Base 10 0,1 - 0,10 - 0,3 -Nº3 Base 6 3 - 0,10 - - -Nº4 Base - 6 0,8 0,05 - - -

Indicar razonadamente:

(a) Que aleacion es la mas adecuada para fabricar una pieza de geometrıa compleja

La mas adecuada para piezas complejas sera la de menor fragilidad de contraccion encaliente, y por tanto la de menor intervalo de solidificacion. Tanto el Al como Zn danlugar a aleaciones con grandes margenes de solidificacion, mientras que el Y otorga unintervalo pequeno. Sera por tanto la aleacion 1 la mas adecuada.

(b) Que aleacion tendra previsiblemente un peor comportamiento a corrosion

El elemento, entre los presentes, que estropea gravemente el comportamiento a corro-sion del magnesio es el Fe. Por tanto, seran las aleaciones 2 y 3 , que lo tienen en mayorcantidad, las mas susceptibles en principio. Ahora bien, la 2 lleva una cierta cantidad demanganeso precisamente para paliar el efecto negativo de Fe, por lo que definitivamentesera la 3 la de peor comportamiento a corrosion.

(c) Con que aleacion se podran alcanzar mayores niveles de dureza y resistencia a tempe-ratura ambiente.

La aleacion que alcanzara mayores niveles de dureza y resistencia sera la que tengauna mas eficaz respuesta al tratamiento termico. Desde ese punto de vista, el aleanteque tiene una secuencia de precipitacion mas completa y eficaz es el Zn, por lo quesera la aleacion 4, que es la que lo tiene en mayor proporcion, la que conseguira tras eltratamiento termico correspondiente el mayor entorpecimiento del movimiento de lasdislocaciones, y por tanto, la mayor dureza y resistencia a temperatura ambiente.

(d) Que aleacion presentara un mejor comportamiento en condiciones de fluencia

De todos los elementos aleantes presentes, es el Y el que origina los precipitados masestables a temperatura elevada, por lo que sera la aleacion 1 la mas conveniente paratrabajar en condiciones de fluencia.

2. Rellenar la casilla verdadero o falso. Respuestas incorrectas se valoran negativamente.Convocatorias: (S10,J14)

(a) El Mg tiene mayor densidad que el aluminio ˝ V ‚ F

(b) El Mg cristaliza en el sistema cubico centrado en cuerpo ˝ V ‚ F

(c) Las aleaciones de Mg son adecuadas para aplicaciones criogenicas ˝ V ‚ F

(d) El Mg se autopasiva con una capa de oxido compacta ˝ V ‚ F

(e) Las aleaciones de Mg tienen un modulo elastico bajo ‚ V ˝ F

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(f) Las aleaciones de Mg son muy propensas a la corrosion galvanica ‚ V ˝ F

(g) Las aleaciones de Mg-Al tienen un gran intervalo de solidificacion ‚ V ˝ F

(h) Las aleaciones de Mg-Zn responden muy bien al tratamiento termico ‚ V ˝ F

(i) La adicion de tierras raras mejora el comportamiento a fluencia ‚ V ˝ F

(j) En las aleaciones Mg-Zn se afina el grano con Zr ‚ V ˝ F

3. Metodos de afino de grano para las aleaciones de Magnesio. ¿Por que?Convocatorias: (S04)

4. Aleaciones de Mg. Te daban 4 y te preguntaban por la de mayor ductilidad, resistencia aTamb, a alta temperatura y la peor a corrosionConvocatorias: (J09)

5. Daban 4 aleaciones de Mg (12 % Si) (12 % Si + Na) (6 % Si) (18 % Si) . . . resistencia al desgaste,y cual se usa en aeronautica y por queConvocatorias: (-)

6. Mg para moldeo (dada 1 aleacion) comentar el efecto de cada componenteConvocatorias: (S11)

7. Aleacion de Mg ZE63, composicon (no se sabe si la daban o la pedıan) para que sirven susaleantes y comportamiento a corrosionConvocatorias: (-)

8. Daban una aleacion de magnesio: con circonio, tierras raras y cinc –¿decir que hace cadaaleante (influencia)Convocatorias: (J10)

9. Dada la aleacion de magnesio QE22A (Mg´2 %TierrasRaras´2 %Ag´0,7 %Zr). Comentar lainfluencia de cada uno de sus aleantes en las propiedades mecanicas y frente a corrosionConvocatorias: (J15)

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9. EL BERILIO

1. Algo de Berilio. Comentar y justificar plasticidad y tenacidad a TambConvocatorias: (S11)

2. Test general sobre berilio –¿propiedadesConvocatorias: (J10,J14)

3. El Berilio.Convocatorias: (S04)

(a) Red cristalografica y relacionarlo con su comportamiento en presion y temperatura.

(b) Propiedades fısicas y aplicaciones que de ellas se deducen.

4. BerilioConvocatorias: (J15)

(a) Comentar su plasticidad y tenacidad relacionados con su red cristalografica

(b) Comentar que ocurre con estas propiedades al anadirlo al Al

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10. MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ METALICA

1. Marcar la casilla V o F segun se considere verdadera o falsa, respectivamente, cada una delas siguientes cuestiones, referidas a los materiales compuestos de matriz metalica reforzadoscon materiales ceramicos.Convocatorias: (J09,J07,J11)

(a) A menor rugosidad superficial del refuerzo, mayor resistencia de la entrecaramatriz refuerzo. ˝ V ‚ F

(b) A mayor resistencia de la entrecara, mayor tenacidad de fractura delcompuesto de fibra larga. ˝ V ‚ F

(c) En el refuerzo con partıculas, a menor tamano de estas, menor lımite elastico,para la misma cantidad de refuerzo. ˝ V ‚ F

(d) La aplicacion de la variaciones cıclicas del temperatura puede danar alcompuesto. ‚ V ˝ F

(e) A mayor cantidad de refuerzo, menor modulo elastico del compuesto. ˝ V ‚ F

(f) A mayor proporcion de refuerzo, menor coeficiente de dilatacion delcompuesto. ‚ V ˝ F

(g) A mayor cantidad de refuerzo, mayor tenacidad del compuesto ˝ V ‚ F

(h) Los metodos de fabricacion en estado lıquido son preferibles porque dananmenos la superficie del refuerzo. ˝ V ‚ F

(i) La presencia del refuerzo empeora la resistencia al desgaste respectode la de la matriz sin reforzar. ˝ V ‚ F

(j) La presencia del refuerzo mejora el comportamiento a corrosion respectode la matriz sin reforzar. ˝ V ‚ F

2. Marcar la casilla V o F segun se considere verdadera o falsa, respectivamente, cada una delas siguientes cuestiones, referidas a los materiales compuestos de matriz metalica de Ti re-forzados con fibra larga de SiC.

(a) Se obtienen generalmente mediante procesos en estado lıquido ˝ V ‚ F

(b) A mayor cantidad de fibra, mayor modulo elastico del material compuesto,tanto en direccion longitudinal como transversal ‚ V ˝ F

(c) La presencia de la fibra hace mejorar la tenacidad en direccion transversal ˝ V ‚ F

(d) La presencia de la fibra hace mejorar la tenacidad en direccion longitudinal ˝ V ‚ F

(e) La presencia del refuerzo mejora la fluencia longitudinal y transversal ‚ V ˝ F

(f) Al aumentar el porcentaje de fibra, menor coeficiente de dilatacion delcompuesto ‚ V ˝ F

(g) La presencia del refuerzo mejora la resistencia a traccion longitudinaly transversal ˝ V ‚ F

(h) Un compuesto con un 30 % de fibra tiene, en direccion longitudinal uncomportamiento a fatiga peor que la aleacion ˝ V ‚ F

(i) Las fibras se SiC se usan sin proteger por que no reaccionan con la matriz ‚ V ˝ F

(j) Tras su fabricacion quedan en el material compuesto tensiones residuales ‚ V ˝ F

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11. LAMINADOS DE ALUMINIO

1. Ventajas e inconvenientes de los laminados de aluminio frente a las chapasConvocatorias: (J14)

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Parte II

ALEACIONES DE TITANIO

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12. OBTENCION Y PROPIEDADES

1. Rellenar el siguiente cuadro, para los cuatro metales ligeros, adjudicando para cada propie-dad a cada uno ellos los diferentes valores que se indican a la derecha de la misma.Convocatorias: (J07,J11)

Propiedad Al Mg Ti Be Li FeRed fcc hc hc hc bcc bccDensidad 2,7 1,7 4,5 1,8 0,53 7,8Conductividad termica 222 167 16 180 84,7 73,3Calor especıfico 894 1010 514 1964 3582 443Modulo elastico 72 45 105 293 11 216Relacion Pilling - Bedword ą 1 ă 1 ą 1 ą 1 ă 1 ą 1Temperatura de fusion 660 649 1667 1287 1805 1536Precio por 1kg de las aleaciones 6 10 100 1000 1

2. Comportamiento a corrosion.Convocatorias: (S11)

3. Test de titanio. Principalmente sobre obtencion de titanio; caracterısticas de α y βConvocatorias: (J10,J15)

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13. ELEMENTOS DE ALEACION. TIPOS DE ALEACIONES

1. Elementos de aleacion del titanio llamados neutros y los llamados insolublesConvocatorias: (S04,S10,J11)

(a) Justificar esa nomenclatura de neutros e insolubles

Son aquellos elementos que tienen 4 electrones de valencia, tambien se les llama es-tabilizadores de α y β. Son aquellos elementos que no influyen en la temperatura detransformacion alotropica.

Dentro de los elementos neutros tambien se consideran los insolubles, que pueden for-mar dispersoides.

(b) Indicar cuales son y sus posibles caracterısticas

Se consideran neutros el Zr, Sn, Si y Hf. La adicion de estos elementos hace variar pocola temperatura de transformacion, ademas de aumentar la resistencia del Ti, tanto enfase α como el fase β. En el caso del Si hay que anadir un poco mas de elemento delmaximo que se disuelve, para que se pueda producir un endurecimiento, ademas suadicion tiene la ventaja de mejorar mucho el comportamiento a fluencia.

Los insolubles son el Y y el Th. El Y afina el grano pero segrega mucho y esta en desuso.

(c) Justificar su posible uso en aleaciones de titanio

El uso principal de estos elementos es el de endurecer la aleacion, y aumentar la resis-tencia.

2. Razones por las que es bueno unir Ti con otro metalConvocatorias: (S11)

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14. TRATAMIENTOS TERMICOS

1. En las aleaciones de titanio. Convocatorias: (J07,J14)

(a) Representar esquematicamente, en funcion del contenido en molibdeno equivalente dela aleacion, la resistencia que se obtiene mediante la realizacion de los tratamientostermicos siguientes: recocido desde fase β, solucion mas temple y solucion desde fase βmas temple y maduracion posterior.

(b) Justificar en esos graficos la influencia que tienen los elementos de aleacion, los constitu-yentes obtenidos y las transformaciones que se producen en los tratamientos termicos.

• Por recocido se obtiene fase α, fase β o mezcla de ambas. La resistencia de recocidoaumenta con la cantidad de elementos de aleacion, tanto si estan disueltos en faseα como si estan en fase β.

• Por solucion y temple se puede obtener martensita αm (de mayor resistencia quela α y la β), cuya resistencia aumenta con los elementos de aleacion:

- Para contenidos de Moequiv hasta X2 se formara todo martensita si se consi-gue templar (para contenidos bajos, tal vez no se consiga templar por bajatemplabilidad). La mayor resistencia se obtendra para X2.

- Para contenidos de X2 a X3 va disminuyendo la cantidad de αm y aumentan-do la de β retenida o metaestable (βm), por lo que la resistencia obtenida iradisminuyendo.

- Para contenidos superiores a X3 se obtiene solo βm y la resistencia aumentaracon el contenido en elemento de aleacion.

• En la maduracion la αm y la βm se transforman con incremento de resistencia:

- Incrementa mas la βm que la αm (que varıa poco, incluso puede disminuir)por lo que la maxima resistencia se obtendra para un contenido en aleantesde X3

- Para contenidos inferiores a X1 la cantidad de martensita es baja por falta detemplabilidad por lo que no habra aumento de dureza

- Al aumentar el contenido por encima de X3 se va obteniendo menos βm ymas β estable y esta no se transforma, en la maduracion, por lo que se vaobteniendo menor resistencia.

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2. Comparar las ventajas e inconvenientes del tratamiento de solucion en zona α + β de lasaleaciones de titanio, respecto al tratamiento de solucion en zona βConvocatorias: (J07,S11,J15)

En el tratamiento en zona α + β

• El tamano de grano obtenido en el calentamiento sera mucho menor, por lo que seramayor la plasticidad y la tenacidad y menor la tenacidad de fractura

• La fase β obtenida es mas rica en aleantes que la aleacion Ý Tendra mayor templabili-dad

• Se produce el llamado “temple blando”, porque:

- Queda mucha fase α sin transformar y tras el temple

- La fase β formada podra quedar retenida tras el temple

- La dureza obtenida en el temple sera normalmente menor

• Habra, por la fase β retenida, mayor ganancia de dureza en la maduracion

3. Una aleacion de titanio del tipo α+ β es sometida a calentamientos a temperaturas crecientes,tras un proceso de deformacion plastica en frıo.Convocatorias: (S10)

(a) Indicar la influencia de los factores que pueden afectar al comportamiento de la aleaciona diferentes temperaturas.

(b) Indicar los cambios estructurales que pueden producirse en el calentamiento y en elenfriamiento posterior

(c) Indicar esquematicamente la variacion del tamano de grano obtenido, en funcion de latemperatura y el tiempo de permanencia en ella.

4. Tres micrografıas de aleaciones de titanio. Indicar tratamiento, constituyentes,. . .Convocatorias: (S04)

5. Todo sobre el titanio ω en que tratamientos de obtiene y . . .Convocatorias: (J10)

La fase ω aparece en la maduracion de la fase βm. Puede haberse formado atermicamentepor enfriamiento rapido de la fase β si la concentracion electronica es e/a ą 4, 13. Se trata deun precipitado coherente de red hexagonal y de morfologıa cuboide o elipsoidal, provocan-do por ello un aumento de la dureza y de la fragilidad. Esta fase tambien puede formarseisometricamente por permanencia a temperaturas de hasta 475 ˝C, para evitarlo se deben darmaduraciones a temperaturas mas altas. Se forma en el Ti-V pero no en el Ti-Al-V, por eso seanade Al a muchas aleaciones de tipo α + β y β

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15. ALEACIONES DE TITANIO

1. En las aleaciones de titanio en general, y mas en particular en las de tipo super-α:Convocatorias: (S04, J07, S10, J14)

(a) Indicar la influencia que tiene la temperatura de tratamiento (de forja, de recocido o desolucion).

La forja y los tratamientos de solucion o re-cocido en fase β originan tamano de granobasto que disminuye la tenacidad a tem-peratura ambiente (aumenta la fragilidad),empeora el comportamiento a fatiga, peromejora el comportamiento a fluencia, comose indica en la figura adjunta.

(b) Indicar dos de los niveles de temperatura relativos que usualmente se emplean, los mi-croconstituyentes que se obtienen tras los tratamientos y los comportamientos mecani-cos que se alcanzan.

Un nivel de temperaturas es rebasar la temperatura de β-transus, con los que se obtieneun grano basto con optimo comportamiento a fluencia, sobre todo con enfriamientoslentos (recocidos) con los que se obtiene una “estructura de cesta” de placas de fase α enmatriz de fase β. El tratamiento de solucion puede obtener martensita a partir de la faseβ.

Otro nivel de temperaturas es por debajo del β-transus, con lo que se pretende optimizarel comportamiento a fluencia y fatiga. Lo usual suele ser que haya sin transformar a latemperatura de tratamiento, del orden de un 5 %-15 % de fase α (primaria).

(c) Indicar la influencia que tiene el carbono como elemento de aleacion de cara al compor-tamiento en esos tratamientos

El carbono hacia variar la ley cinetica de latransformacion α ÐÝÑ β con la temperaturade tratamiento, de modo que un error en latemperatura de tratamiento, por debajo dela β-transus se traduzca en menores erroresen la cantidad de α primaria que se deja sintransformar, y es mas controlable el trata-miento.

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2. Las aleaciones de titanio del tipo β y del casi-β poseen, en comparacion con las aleacionesdel tipo α y del super-α:Convocatorias: (S10)

(a) Mayor resistencia a corrosion ˝ V ‚ F

(b) Mayor capacidad de conformado ‚ V ˝ F

(c) Mayor densidad ‚ V ˝ F

(d) Menor maquinabilidad ˝ V ‚ F

(e) Menor templabilidad ˝ V ‚ F

(f) Mayor resistencia a temperatura ambiente ‚ V ˝ F

(g) Mayor tenacidad a muy bajas temperaturas (criogenia) ‚ V ˝ F

(h) Menor sensibilidad a la velocidad de deformacion ˝ V ‚ F

(i) Mayor soldabilidad ˝ V ‚ F

(j) Menor temperatura β-transus ‚ V ˝ F

(k) Mayor respuesta al tratamiento termico ‚ V ˝ F

(l) Menor resistencia a alta temperatura y a fluencia ‚ V ˝ F

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3. De las aleaciones de titanio siguientes (A a F), cuyas composiciones se indican de formasimbolica:Convocatorias: (J09,J10,J11)

Aleacion A Aleacion B Aleacion CTi´ 4.5 Al Ti´ 6 Al´ 4 Sn´ 4 Zr´ 0.5 Mo´ 0.7 Nb´ 0.45 Si´ 0.1 C Ti´ 25 Al

Aleacion D Aleacion E Aleacion FTi´ 6 Al´ 2 Sn´ 4 Zr´ 6 Mo Ti´ 8 Mo´ 8 V´ 2 Fe´ 3 Al Ti´ 40 Mo

(a) Indicar y razonar, el la Tabla I siguiente, el tipo de aleacion que es cada una de ellas.

(b) Indicar y razonar, en la Tabla II siguiente, cual de ellas tendra el mejor comportamientodesde los puntos de vista indicados.

Tabla 15.1: Tabla I

Aleacion A B C D E F

Tipo α super-α Ti-Aluminuro α + β casi-β β

Razon Solo Al %β ă 2 % (Al)eq ě

25 %%β ą

6 + %α%β ą 8 % Solo β

Tabla 15.2: Tabla II

Tipo de comportamiento Aleacion Razonamiento

Corrosion F Aleaciones con un alto (Mo)eq %responden bien a la corrosion

Tenacidad a muy baja temperatura ALas aleaciones α no tienen Tc y al ser(Al)eq ă 9 % no se produce fragilidad

por α2

Mecanico a T « 500 ˝C BBuen comportamiento a T elevadas. os

elementos neutros ayudan pero nofragilizan a fluencia

Oxidacion a muy alta temperatura CUn (Al)eq % alto da una excelentecomportamiento a oxidacion en

caliente

Rendimiento en tratamiento termico Dα + β responden muy bien a todos lostratamientos y con aleantes dan mejor

templabilidadForjabilidad en frıo E β tiene buenas propiedades de forja

4. Indicar los metodos que se emplean para mejorar el comportamiento a fluencia de las alea-ciones tipo casi-α o super-α. Indicar la temperatura a la que se ha conseguido un comporta-miento aceptable de estas aleaciones.Convocatorias: (J09,S11)

Para mejorar el comportamiento a fluencia hay varios metodos:

• Adicion de 0,1 % a 0,45 % de Si, que provoca la precipitacion de (Ti ¨Zi)5Si3 que frenalas dislocaciones. El % de Si puede ser mayor si estamos a temperaturas de servicio ode tratamiento mas altas, puesto que se puede disolver mejor.

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• Procesos de forja o tratamiento en fase β que aumentan el tamano de grano, aunqueesto presenta el inconveniente de que se empeora el comportamiento a fatiga y da fra-gilidad a Tamb. Ası se tratan la IMI685 (lımite de utilizacion 560 ˝C) y la Ti-1100 (lımitede utilizacion 600 ˝C)

• Ajustar la velocidad de enfriamiento desde la fase β, siendo los enfriamientos lentos(aire) para obtener estructura de cesta los que proporcionan menores deformacionespor fluencia.

5. Caracterısticas de las aleaciones de tipo α de titanioConvocatorias: (J09)

Las caracterısticas principales de estas aleaciones son:

• Eleven la resistencia por disolucion

• Elevan la resistencia a la oxidacion en valiente.

• Baja resistencia a traccion

• Buen comportamiento a fluencia

• Buen comportamiento a baja temperatura

• Buena soldabilidad

• Mala forjabilidad. En el caso de que la forja se realice en fase β se produce un grano muybasto con lo que se mejora la tenacidad de fractura y el comportamiento a fluencia

• Muy baja templabilidad

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Parte III

ACEROS DE RESISTENCIA

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16. ACEROS DE ALTA RESISTENCIA (UHS)

1. En los aceros llamados de 14 % de CobaltoConvocatorias: (J07,J10)

(a) Indicar las composiciones representativas y la influencia de los diferentes elementos dealeacion

Desarrollados para aviacion, a partir del tipo 10 % Ni de bajo carbono.

0,14 C - 14 Co - 10 Ni - 2 Cr - 1 Mo (tipo AF1410)0,25 C - 15 Co - 11 Ni - 2,4 Cr - 1,4 Mo (tipos Aermet 100, 300, 310)

De bajo %C (0,15 a 0,25), para templar y tener tenacidad

Son aceros de alta tenacidad, por el alto contenido en Ni

Hay un acusado efecto reforzador por solucion solida de Ni y Co

El Co eleva la temperatura MS, retrasa el ablandamiento en el revenido e incrementa laactividad del carbono formando carburos

El Cr y Mo dan dureza secundaria en revenido alto

(b) Indicar el tratamiento termico normal previo a su empleo y las caracterısticas mas im-portantes de ellos

Tratamiento:

• Austenizacion a 820 ˝C, temple en aire

• Enfriamiento a ´75 ˝C

• Revenido - maduracion a 500 ˝C

• Revenidos mas altos pueden producir austenita

Muy altas resistencias y alta tenacidad

Buena resistencia a la corrosion

Buen comportamiento en corrosion bajo tensiones

Usado en trenes de aterrizaje

Esta sustituyendo al Ti en aviacion y espacio

Desarrollos muy recientes con los Aermet conRm = 2000 MPa, A = 15 % y KIC = 100 MPa/m1/2

2. Referente a los aceros de baja aleacion, elaborados con las precauciones usuales de purezade elementos, calidad y procesos de elaboracion especiales, para ser utilizados como acerosde muy alta resistencia (UHS) y la mayor tenacidad posible:Convocatorias: (S04,J09,S10)

(a) Indicar los elementos que pueden formar parte de su composicion, y la finalidad de supresencia

(b) Indicar los tratamientos termicos o mecanicos que pueden aplicarse, para obtener elcomportamiento mecanico deseable.

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