4.2.1: Propiedades

Varios factores influyen en la selección de los materiales estructurales para una aeronave. El más importante es la combinación de fuerza y ligereza. Otras propiedades con diferente importancia (a veces críticas) son rigidez, tenacidad, resistencia a la corrosión y fatiga, facilidad de fabricación, disponibilidad y consistencia de suministro, y costo (también muy importante). Una breve descripción de algunas de las propiedades más importantes se da en la secuela:

Ductilidad: La ductilidad se refiere a la capacidad de un material sólido para deformarse bajo tensión de tracción, soportando grandes deformaciones antes de que ocurra la fractura. Estas grandes cepas van acompañadas de un cambio visible en las dimensiones de la sección transversal y por lo tanto dan aviso de fallas inminentes.

Resistencia: La resistencia de un material es su capacidad para soportar una tensión aplicada sin fallas. La tensión aplicada puede ser de tracción, compresión o cizallamiento. La resistencia de los materiales es un tema que se ocupa de las cargas, deformaciones y las fuerzas que actúan sobre un material. Al observar la Figura 4.9, se asocia a\(\sigma_B\) (tensión de ruptura); cuanto mayor\(\sigma_B\) es, más impotente es el material.

Dureza: La dureza es la capacidad de un material para absorber energía y deformarse plásticamente sin fracturarse. La dureza requiere un equilibrio de resistencia y ductilidad. La resistencia indica cuánta fuerza puede soportar el material, mientras que la dureza indica cuánta energía puede absorber un material antes de fracturarse. Mirando la Figura 4.9, se asocia a la diferencia entre\(\sigma_B\) y\(\sigma_y\); cuanto mayor es esta diferencia, mayor es la capacidad del material ha para absorber energía de impacto por deformación plástica.

Fragilidad: Un material quebradizo presenta poca deformación antes de la fractura, siendo la deformación normalmente inferior al 5%. Por lo tanto, los materiales quebradizos pueden fallar repentinamente sin aviso visible. La fragilidad y la dureza son antónimos.

Elasticidad: Se dice que un material es elástico si las deformaciones desaparecen completamente al retirar la carga. Mirando la Figura 4.9, esta propiedad está asociada a\(\sigma_y\) (límite elástico); cuanto mayor\(\sigma_y\) es más elástico es el material. Observe que, dentro de la zona elástica, la tensión y la deformación se relacionan linealmente con el Módulo Young (E), es decir,\(\sigma = E \cdot \epsilon\).

Rigidez: La rigidez es la resistencia de un cuerpo elástico a la deformación por una fuerza aplicada. Mirando la Figura 4.9, esta propiedad está asociada a\(\sigma_y\) (límite elástico); cuanto menor\(\sigma_y\) es más rígido es el material. Elasticidad y Rigidez son antónimos.

Plasticidad: Un material es perfectamente plástico si no desaparece ninguna tensión después de la eliminación de la carga. Los materiales dúctiles son elastoplásticos y se comportan de manera elástica hasta alcanzar el límite elástico después de lo cual se comportan plásticamente. Cuando se alivia la tensión se recupera el componente elástico de la deformación pero la deformación plástica permanece como un conjunto permanente.

Fatiga: La fatiga mecánica se produce debido a la aplicación de un número muy grande de fuerzas cíclicas relativamente pequeñas (siempre por debajo de la tensión de rotura\(\sigma_B\)) lo que resulta en una falla del material. Por ejemplo, cada vuelo de una aeronave puede considerarse como un ciclo. De esta manera, la aeronave puede soportar regularmente las cargas nominales (siempre por debajo de la tensión de rotura\(\sigma_B\)), pero después de una gran cantidad de ciclos algunas partes de la estructura podrían fallar debido a la fatiga mecánica. Por estas razones, las aeronaves podrán ser probadas tres veces su ciclo de vida. Para poder soportar tales pruebas, muchos componentes de aeronaves pueden fabricarse más fuertes de lo estrictamente necesario para cumplir con los requisitos de resistencia estática. Las partes que podrían sufrir fatiga mecánica se calientan de fatiga crítica.

Corrosión: La corrosión es la destrucción gradual de materiales (generalmente metales) por reacción química con su entorno. En términos generales, tiene que ver con la oxidación del material y con ello la pérdida de algunas de sus propiedades. La resistencia a la corrosión es un factor importante a considerar durante la selección del material. Los métodos para prevenir la corrosión incluyen: pintura, que sin embargo incorpora una cantidad importante de peso; anodización, en la que la aeronave es tratada con una capa protectora estable de óxido; revestimiento, que básicamente consiste en agregar una capa de aluminio puro al material de la superficie (esencialmente, para unir una menor material noble a un material más noble); y finalmente chapado de cadmio, que consiste en cubrir el material de la superficie con un material más noble (asumiendo que la estructura está hecha de un material menos noble). Estas ideas se basan en tener dos materiales diferentes con propiedades muy distintas en cuanto a la oxidación, de manera que si uno sufre corrosión, el otro no.