siguiendo con el hilo de las aleaciones con memoria de forma, aqui os dejamos el segundo artículo sobre este comportamiento: Materiales con Memoria de Forma Magnética.

El fenómeno de la magnetoestricción, por medio del cual un campo magnético externo puede cambiar las dimensiones de la muestra, fue observado en 1842 por Joule. En los materiales ferromagnéticos usuales como el Fe y el Ni, las deformaciones asociadas con la magnetoestricción son del orden de 10^-4 % mientras que en materiales con una magnetoestricción excepcionalmente grande, por ejemplo las aleaciones de Tb-Dy-Fe (Terfenol-D), muestran deformaciones del orden del 0.1%. Por el contrario, los materiales con memoria de forma magnética pueden mostrar deformaciones inducidas a través de un campo magnético del orden del 10%.

No sólo es que las deformaciones en los materiales MSM sean dos órdenes de magnitud superiores, sino que también el mecanismo es diferente al de la magnetoestricción. Mientras que la magnetoestricción ordinaria es observada en muestras estructuralmente homogéneas, el efecto MSM requiere una estructura especial. La estructura viene proporcionada una trasformación martensítica.

Como hemos visto, la forma usual de crear esta clase de microestructura es el maclado, debido a que existen distintas formas de deformar la estructura de alta simetría, la deformación puede tener lugar en diferentes direcciones y en diferentes regiones de la muestra: el resultado es la división de la fase cristalina inicial en muchos dominios martensíticos o “variantes” relacionados a través del maclado (ver figura 4)

Figura 4: Ilustración esquemática de la transformación martensítica y el maclado en dos dimensiones.

Los materiales magnéticos, tal como los ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos están caracterizados por momentos magnéticos locales en su estructura. Además, en ausencia de un campo magnético externo su magnetización tiene una cierta orientación preferente con respecto a la red cristalina, la llamada dirección de eje fácil. Si la dirección fácil es paralela a la dirección de maclado, entonces en una estructura maclada, los diferentes dominios de macla tendrán direcciones de magnetización distintas (ver figura 5). Cuando un campo externo es aplicado, los momentos magnéticos tratan de alinearse en la dirección del campo. Si la energía requerida para rotar la magnetización hasta la dirección fácil (energía de anisotropía magnética) es mayor que la energía requerida para mover la macla, es energéticamente más favorable mover los contornos de macla en lugar de rotar la magnetización. La fracción de maclas donde el eje fácil está en la dirección del campo  crecerá a expensas de otros dominios de macla. Este proceso culmina con grandes cambios en la forma del material (ver figura 5)

Figura 5: (a) momentos magnéticos sin campo externo. (b) redistribución de los dominios de macla ante un campo aplicado.

Las aleaciones con memoria de forma más usadas son las de Ni-Mn Ga. Lo que hace especial a las aleaciones con memoria de forma magnética de las aleaciones con memoria de forma ordinarias y, a la postre, las convierten en un material único, es que la microestructura martensítica puede manipularse a través de la aplicación de un campo magnético.

Efecto de Memoria de forma magnética (MSME)

Ahora veremos muy someramente en qué consiste el efecto de memoria de forma magnética desde un punto de vista de las propiedades magnéticas del material: Si tenemos la muestra de martensita teniendo la dirección [100] a lo largo de la dirección de la aplicación de la tensión, la dirección [001] (eje corto o fácil) se situará a lo largo de dicho eje tras una compresión. Este proceso de reorientación [100]à[001] a lo largo del eje de tensión va acompañado por una deformación de -5.4% (ver figura 6). A la vez, el proceso de reorientación inverso [001]à[100] se produce en el eje paralelo al campo magnético.

paralela al eje de carga es reorientada por una tensión externa de tal forma que adopta la dirección del eje corto [001] paralela a dicho eje con la consiguiente contracción de la muestra en esa dirección. b) usando un campo magnético cuasiestático y una tensión externa casi 0 – la muestra de un único dominio con la dirección [100] a lo largo del campo magnético es reorientada por éste de tal forma que adopta la dirección [001]. Este es el efecto de memoria de forma magnética o MSME. Notar que la deformación se mide en la dirección de la carga aplicada, perpendicularmente al campo aplicado.”]”]

Figura 6: manipulación de la microestructura de la martensita del compuesto Ni48.6Mn26.3Ga25.1. a) a través de una carga de compresión – una muestra con un único dominio con la dirección [100

Observando la figura 6b, un campo magnético relativamente pequeño de aproximadamente 0.5 T restaura la forma original de la muestra a través de la transformación [100]à[001] en el eje paralelo al campo magnético y la contraria [001]à[100] en el eje de la carga. Se observa, de esta forma una deformación de aproximadamente un 5.7% en la dirección de la carga, perpendicularmente al campo. Este cambio relativamente grande en la forma de la muestra es lo que se conoce como efecto de memoria de forma magnética o MSME.

La deformación teórica máxima para el caso de reorientación completa de la martensita es (c_M – a_M)/a_M = –5.63% para la reorientación [100]à[001] y de (a_M – c_M)/c_M = 5.97% para la reorientación [001]à[100]. Las deformaciones están correlacionadas, lo que se alarga la muestra en una dirección se acorta en una de las otras dos direcciones mientras su volumen permanece constante.

Figura 7: Esquema de la deformación inducida por campo magnético. Si la anisotropía magnetocristalina es grande, rotar el campo H causará un crecimiento gradual de una variante (azul) con el eje c a lo largo de la dirección del campo a expensas de la variante original (gris). Esto puede conducir a un aumento (∆l) considerable en las dimensiones externas del material. Si aplicamos una carga podemos volver a cambiar la orientación del eje c y así tendríamos el MSME.

El desarrollo de las aleaciones con memoria de forma magnética se ha dado en los últimos diez años. No obstantes, aún son bastantens las dificultades existentes para su correcto funcionamiento. En fechas recientes se están desarrollando espumas que solventan muchos de estos problemas. La espuma metálica consiste en una aleación Ni–Mn–Ga cuya estructura recuerda a un queso suizo con muchos huecos entre estructuras de material sólido. Estas estructuras tienen una organización granular similar a la del  bambú y pueden deformarse cuando se aplica un campo magnético.

Figura 8.- Micrografía de la espuma magnética

Y hasta aquí el monográfico sobre las aleaciones con memoria de forma (SMA). Esperamos que os haya resultado de interés.

Un saludo

Antonio J. Contreras.

nuevamente nos ponemos en contacto con vosotros a través de una publicación muy interesante: Materiales con memoria de forma. Este tema será tratado en dos artículos: (I) Memoria de forma térmica y (II) Memoria de forma magnética. Ambos han sido escritos por uno de nuestros colaboradores, Antonio José Contreras Sánchez, quien ya escribió el artículo sobre el comportamiento tribológico y los materiales nanoestructurados. Desde aqui le volvemos a agradecer su trabajo y os dejamos con este monográfico.

Aleaciones con memoria de forma térmica

Las aleaciones con memoria de forma (SMA) tienen la capacidad de recobrar una forma previamente definida cuando se les somete al procedimiento de tratamiento térmico apropiado. Al volver a su forma original, estos materiales también pueden aplicar fuerzas. La mayoría de de las aplicaciones prácticas corresponden a las SMA que tienen la capacidad de recuperarse tras una cantidad significativa de deformación (superelasticidad) o las que pueden aplicar grandes fuerzas al adoptar de nuevo su forma original.

El efecto por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación martensítica. Originalmente el término “transformación martensítica” estaba reservado a los aceros, pero ahora se aplica de forma general a toda transformación de fase que ocurre por maclado sin cambio alguno en la composición.

En este tipo de transformación tenemos una fase de alta temperatura llamada austenita, también conocida como fase generatriz y de estructura cúbica. Si enfriamos el material, su estructura cambia y pasa a una estructura de laminillas, sumamente entretejidas y dispuestas en cortes alternados, llamada martensita. La estructura cortada en forma alternativa, es decir, en cortes opuestos consecutivos, conserva la forma general del cristal.

El estado por el cual las SMA recuperan su forma es resultado de la transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, es decir, la austenita y la martensita. En el estado  de martensita, una SMA es muy fácil de deformar mediante la aplicación de tensiones, en virtud de la propagación del contorno de la macla. Si en esta etapa se elimina la carga, la deformación de la martensita persiste, lo cual le da la apariencia de una deformación plástica. Sin embargo, después de ser deformada en el estado martensítico, el calentamiento provoca una transformación de la martensita en austenita, con lo cual el componente recupera su forma original (ver figura 1).

Figura 1: (a) conforme se enfría el material éste sufre una transformación martensítica. Los granos se acomodan de forma tal que se forman imágenes especulares (maclado), manteniendo la forma macroscópica. (b) deformación ocurre por propagación de contorno de maclas, de tal forma que las más favorablemente orientadas crecen a expensas de las demás.

Cuando se quiere aprovechar la memoria de forma del material, se hace un enfriamiento rápido, de tal manera que se esté por debajo de la temperatura crítica, y una vez que se tiene esa martensita en frío, se deforma (ver figura 2).

Al recorrer  el camino desde (a) hasta (b) procedemos a someter a una carga al material, éste se deformará en la fase martensítica. Después de un calentamiento, se puede recuperar la forma de partida volviendo a la fase inicial o primitiva austenítica. Este efecto se conoce como Efecto de memoria de forma Tipo I, ya que sólo nos permite recuperar la fase austenítica sin poder volver de a la forma martensítica

Por el contrario si después de después del calentamiento se puede recuperar la fase martensítica a temperatura ambiente, estaremos en un caso de Efecto de memoria de forma tipo II (ver figura 3)

Figura 2: Efecto de memoria de forma y superelasticidad

Si lo que se busca es aprovechar la propiedad de la superelasticidad es necesario deformar el material por encima de la temperatura de inicio de la transformación austenítica (A_f). Al cesar la carga el material volverá naturalmente a su estado inicial austenítico después de un breve paso por la fase martensítica. Por lo tanto es necesario que dicha temperatura A_f sea lo más baja posible para que no se dé una transformación indeseable durante la deformación.

El cambio de estructura no se produce con pequeñas variaciones de temperatura, sino sobre un rango de temperaturas que depende del sistema de aleación.

Figura 3: Efecto de memoria de forma tipo II

Además, la fase martensítica tiene excelente capacidad de absorción de energía y gran resistencia a la fatiga, debido a su estructura maclada. Así, la fase martensítica se usa como amortiguador de vibraciones y en instrumentos quirúrgicos flexibles para cirugía de corazón con tórax abierto. Al seleccionar esos materiales para aplicaciones específicas hay que tener presente cuáles son las temperaturas en que van a operar, en comparación con las temperaturas de su transformación. Las aleaciones más conocidas son las de NiTi, conocido coloquialmente como Nitinol.

(Ver video ejemplo de NITINOL)

No obstante, para muchas aplicaciones la transformación martensítica por efecto de la temperatura no es lo suficientemente rápida o un cambio en la temperatura / presión puede dar al traste con el fenómeno. Por ello, se están haciendo esfuerzos considerables para encontrar un sistema ferromagnético en el cual, el efecto pueda ser controlado por la aplicación de un campo magnético.

Existen numerosas aplicaciones, como aquellas que se sitúan en el interior del cuerpo humano, en las que un cambio indeseado (inevitable en el cuerpo) puede provocar un cambio indeseado de la estructura con perjudiciales consecuencias. Por ello, se buscan sistemas de aleaciones en las cuales la memoria de forma pueda ser controlada exclusivamente por un campo magnético externo.

Sobre este tipo de comportamiento versará el próximo artículo: Materiales con memoria de forma magnética

Un saludo y hasta pronto.

Antonio J. Contreras

]]> http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/03/07/materiales-con-memoria-de-forma-i-termicos/feed/ 4 INGEMAT Memoria de forma térmica Memoria de forma térmica II Memoria de forma térmica III Memoria de forma térmica IIII http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/02/24/materiales-nanoestructurados-comportamiento-tribologico/ http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/02/24/materiales-nanoestructurados-comportamiento-tribologico/#comments Wed, 24 Feb 2010 16:26:40 +0000 Salvador Ortolá (Administrador) http://ingenieriademateriales.wordpress.com/?p=459 ]]> Autor: Antonio José Contreras Sánchez

Se denomina tribología a la ciencia que se ocupa de la fricción, el desgaste y la lubricación de las superficies en contacto.

De acuerdo con estudios recientes, las pérdidas que sufre un país industrializado debidas al desgaste y a la corrosión de los materiales alcanzan el 4,5% del PNB. Los fabricantes de automóviles, la industria aeroespacial, los constructores de maquinaria o los productores de biomateriales se esfuerzan día a día por mejorar el comportamiento tribológico de sus materiales.

El desarrollo de la nanotecnia en los últimos años ha facilitado la obtención de nuevos materiales con propiedades exóticas y aplicaciones en múltiples áreas. A medida que el tamaño del grano decrece, las interfases adquieren más importancia, ya que aumenta el número de átomos que residen en esas fronteras de grano, lo que influye en las propiedades del material.

En el área de de los recubrimientos es donde la nanotecnia ha hecho los progresos más significativos y donde se han conseguido las aplicaciones comerciales de mayor éxito. La utilización de estos materiales avanzados, con prestaciones tribológicas superiores, puede eliminar el uso de lubricantes, ofreciendo un ahorro económico considerable en la mayoría de los sectores industriales y una disminución del impacto ambiental.

A continuación pasaremos a exponer de manera resumida algunas de las últimas soluciones alcanzadas en las investigaciones de comportamiento tribológico a escala nanométrica.

En primer lugar encontramos los recubrimientos a los materiales compuestos consistentes en una matriz metálica reforzada con inclusiones cerámicas de alta dureza (conocidos coloquialmente como CERMETS), tales como partículas de carburo de silicio (SiC) o fases de cobalto-carburo de wolframio (WC/Co o WC/Co/Cr). Al igual que la WIDIA, que es de sobra conocida en ingeniería, estos recubrimientos permiten aumentar la carga permisible y la temperatura de operación en las juntas de fricción. Ofrecen una mejor resistencia al desgaste. Pueden mejorar también su respuesta a la fricción si se agrega hasta un 30% en volumen de una fase lubricante sólida; por ejemplo, grafito, MoS₂, PbS o CuSn. Los recubrimientos de este tipo permiten alcanzar unas temperaturas de operación de hasta 900ºC, soportan presiones de hasta 1200 MPa y poseen coeficiente de fricción de sólo 0.01 (80 veces inferior al acero).

Además también se ha desarrollado un método de deposición de finos recubrimientos de lubricantes por medio de polvos nanoestructurados de la misma composición que el recubrimiento que finalmente se quiere obtener. Esto se consigue mediante técnica láser: el polvo absorbe energía de un rayo láser, empieza a fundirse y se deposita sobre el sustrato elegido. Parte de la energía del láser se absorbe también en la superficie del sustrato, con lo que una lámina delgada de la superficie de éste se funde. Queda así asegurada la existencia de una unión metalúrgica real entre el recubrimiento y el material base. Sin embargo, la mezcla de los dos materiales (recubrimiento y sustrato) debe ser la menor posible para aprovechar las propiedades del material que forma el recubrimiento.

Otro sistema de recubrimiento nace del uso de un nuevo sistema de preparación de recubrimientos basado en un depositado físico en estado de vapor (PVD) y de un solo paso. Este sistema, que puede trabajar a bajas temperaturas, permite recubrir las herramientas con capas delgadas cuya superficie posee una nanoestructura predefinida. Para ello, la superficie del sustrato se bombardea con un plasma de iones, procedentes por lo general de una descarga eléctrica entre dos electrodos. De ese modo, el proceso genera microporos en la superficie del recubrimiento que atrapan cantidades microscópicas de lubricante (microlubricación). Durante el ciclo de tratamiento del metal estos microporos expelen el fluido hacia las áreas críticas de contacto de la pieza o de la herramienta. Un ejemplo de recubrimiento poroso es del de CrN.

Otra solución es el empleo de recubrimientos nanoestructurados con diferentes morfologías, obtenidos por medio de pulverización catódica (sputtering). En esta técnica, se bombardea un blanco del material con el que se quiere formar el recubrimiento con iones de gas muy energéticos, que pulverizan el blanco. Los átomos arrancados del blanco se guían hasta la superficie con un campo eléctrico. Gracias a este nuevo sistema de depósito, se crean recubrimientos constituidos por una matriz cerámica dura, en la que se han incrustado nanocúmulos de fases lubricantes sólidos de carbono o de MoS₂. De esta forma, se han conseguido recubrimiento de tipo multicapa de TiC nanocristalino con inclusiones de C, en el que se alternan capas con dos concentraciones de carbono diferentes. Estos recubrimientos poseen coeficientes de fricción bajos, igual que la capa que presente la menor fricción, pero con una mejor resistencia del desgaste y mayor adhesión al sustrato. Son por tanto, muy prometedoras en cuanto a su comportamiento ante la fricción y el desgaste.

Los materiales cuasicristalinos, descubiertos en los años ochenta, suelen estar formados por aleaciones intermetálicas binarias o terciarias que contienen aluminio. Presentan una ordenación cuasiperiódica de sus elementos constituyentes; poseen muchas de las características de los materiales cristalinos, que se distinguen por una ordenación periódica y cuentan, además, con propiedades físicas únicas. Cabe destacar su baja conducción eléctrica y térmica, a pesar de que están formados por aleaciones de dos o tres metales. Estos materiales muestran buenas propiedades tribológicas; por ejemplo, un bajo coeficiente de fricción. Gracias a tales prestaciones, algunos recubrimientos de materiales cuasicristalinos protegen del desgaste y la fricción y actúan además como barreras térmicas, con aplicaciones potenciales en sistemas aeroespaciales y en la fabricación de herramientas de wolframio.

Las aleaciones γ-TiAl son utilizadas por las industria aeroespacial y del automóvil por su baja densidad, alta relación resistencia-peso y elevada rigidez, que permiten un ahorro de peso de hasta el 50%. Sin embargo, estas aleaciones no resisten temperaturas superiores a 800ºC, mientras que las aplicaciones futuras que planean estas industrias exigirán trabajar a temperaturas entre 900 y 1000ºC. Para implementar las propiedades de estas aleaciones se utiliza un nuevo proceso llamado PVD-HIPIMS (“depositado físico en estado de vapor-recubrimiento por átomos expulsados por iones en un magnetrón de impulsos de gran potencia”) para la producción de recubrimientos avanzados. Los nuevos revestimientos se basan en matrices de metal-oxi-nitratos. Además de actuar como barreras térmicas, ofrecen una alta protección tribológica frente al desgaste y la erosión. Con ello se conseguiría extender el uso de aleaciones γ-TiAl a la industria aeroespacial y del automóvil, y al mismo tiempo conseguir un ahorro en el consumo de combustible y, por tanto, una reducción de las emisiones de CO₂ al medio, como consecuencia de la disminución en el peso de los componentes.

Los avances más recientes se centran en una nueva generación de materiales compuestos, en particular para recubrimientos, basados en nanopartículas inorgánicas de tipo fullereno (forma alotrópica del carbono que no existe en la naturaleza y cuya molécula C₆₀, tiene la estructura de un balón de fútbol). Las nanopartículas se incorporarían a recubrimientos, superficies de los materiales y lubricantes líquidos, para reducir significativamente la fricción y el desgaste en los contactos tribológicos.

Como se puede ver las nuevas tendencias para la mejora tribológica de materiales son muy diversas. Al igual que otros muchos ámbitos científicos, los esfuerzos se centran en una nanoestructuración de la materia en busca de una ordenación más íntima de los granos que componen el material. Como  consecuencia, se produce  una mejora de la resistencia a la fricción y el desgaste de los materiales.

Uno de los puntos más interesantes y útiles en el estudio de la elasticidad es el poder conocer el estado de tensiones en el entorno de un agujero. Hoy, para hacer más visual dicho comportamiento, os entregamos este artículo titulado “Distribución de Tensiones en el Entorno de un Agujero” de la mano de un gran amigo y colaborador: el ingeniero Javier Barro, quien nos ha suministrado toda la información gráfica. Desde aqui le volvemos a dar las gracias.

Para dotar a este estudio de un mayor carácter divulgativo, nos hemos centrado tan solo en la representación gráfica de la solución para este problema de elasticidad plana. El resto de condiciones son bien conocidas:

• Material isótropo
• Comportamiento elástico lineal
• Dominio plano
• Agujero suficientemente alejado de la zona de aplicación de la carga para tener reguladas las tensiones en su entorno (principio de Saint-Venant)
• Carga uniforme en los extremos
• Coordenadas polares σ_r, σ_θ, σ_rθ

Pues bien, el resultado no puede ser más vistoso ni dejar más claro cómo sería el proceso de carga y descarga:

• Idealizar el panel como dos columnas perpendiculares para así obtener la rigidez a flexión y cortadura de cada barra.
• dividir la presión total en dos partes uniformes. Una de las partes es soportada por la barra-x y la otra por la barra-b.
• Imponer una distribución triangular de presiones en cada barra.
• Calcular la reacción del  momento y cortante en los extremos de las barras.
• Desarrollar un diagrama de cuerpo libre para obtener las cargas en el plano y las cargas de core shear en todos los puntos de las barras.

Barras idealizadas del panel sandwich

Rigideces a flexión y cortadura

La rigidez a flexión de una barra es una constante que relaciona el momento con la curvatura. Aquí, esa constante, la denominaremos Dzx y Dzy. Para nuestro panel sandwich:

Rigideces a flexión

Por otro lado, la rigidez a cortadura, Hzx y Hzy sería:

Rigideces a cortadura

Deflexión del panel

Uno de los criterios dimensionantes más importantes a la hora de calcular un panel sandwich es la flecha que alcanza este bajo una presión uniforme. Para poder obtener un valor aproximado de dicho desplazamiento debemos dividir la cantidad de presión que se lleva cada barra imaginaria de nuestro panel.

La fracción de presión que se lleva cada barra es directamente proporcional a las rigideces de éstas, dividiéndose la presión entre las barras. Normalmente, la defexión depende únicamente de la rigidez a flexión. Sin embargo, un bajo módulo a cortadura del panel puede favorecer la deformación a cortadura, teniéndose que ser considerada en la deflexión total.

Distribución interna de momento y cortante bajo una presión uniforme

Para una barra paralela a la dirección x, la deflexión en su punto medio es igual a la presión aplicada según z multiplicada por un factor Czx. Considerando tambien las barras paralelas al eje y:

Constantes a deflexión

observándose los términos debido a la flexión y a la cortadura. Suponiendo la misma deflexión en el punto medio de las barras:

Deflexión máxima del panel

Distribución triangular de presiones. Reacciones en los extremos.

Un aspect muy importante de los paneles sandwich es la modelización de la unión del panel en la zona pista a los elementos estructurales a los que se une. Para poder llevar a cabo un diseño y cálculo de la unión debe conocerse las cargas que aparecen en dichos extremos. La distribución triangular invertida se considera un modelo muy aproximado para determinar las reacciones en los extremos del panel. Entre el punto medio de cada una de las barras y el final la presión evoluciona linealmente.

Distribución triangular de presiones

La reacción en el final de cada barra, momento y cortante, se calcula dependiend de la dirección x o y de la barra:

Reacciones en los extremos

El momento máximo aparece en el punto central del panel. Nótese que en esta teoría, el momento resulta de la presión aplicada Pz, no estando incluidas en el cálculo las cargas dentro del plano.

Distribucion del momento y cortante

Distribución interna de cortantes y momentos

Haniendo estableciso la distribución de presiones y las reacciones en los extremos, se puede obtener el momento flector y el cortante en cualquier punto de las dos barras perpendiculares imaginarias. Sin embargo deben tenerse en cuenta las cargas que actuan dentro del plano.

La carga Nx actúa en el punto medio entre las dos superficies del panel, apareciendo un momento al realizar el equilibrio que se observa en la figura.

Momento flector debido a Nx

Podemos definir pues un momento Mx’ debido a la carga Nx y otro momento debido a la presión aplicada fuera del plano del panel, Mx”. La suma de dichos momento establece el momento total en cualquier punto de las barras que idealizan el panel bajo cargas en el plano y presiones fuera de él.

Momento flector debido a la presión fuera del plano

Una de las zonas más complicadas de modelar del panl es la rampa. Según este desarrollo analítico el momento evoluciona linealmente en la rampa llegando a ser constante en la zona del panel donde las caras tool y bag son paralelas. Las telas tool y bag resiste el momento y las cargas enel plano, sosteniendo el core la cortadura a lo largo del espesor.

Un análisis de la rampa puede llegar a ser interesante si no obligatorio a la hora de dimensionar el panel debido a que existen criterios de fallo asociados directamente a la geometría que establece la rampa. por lo tanto es necesario obtener los axiles que circulan en la rampa por las telas, Nxb y Nxt, y la evolución de la cortadura por el nucleo de la rampa, Vzx. Puede observarse que el ángulo de la rampa juega un papel importante en las ecuaciones.

Ecuaciones analíticas en la zona rampa

En la zona bulk del panel, las telas se consideran inefectivas contra la cortadura. y a su vez el core se considera inefectivo frente a las cargas en el plano y el momento como comentamos antes. Todo el momento se aplica mediante tensiones de tracción y copresión en las telas y el cortante se considera una tensión de cortadura constante en el core. sin embargo en la rampa esto no ocurre ya que en las zonas cercanas al landing, las telas también soportan cortadura además del núcleo, siendouna zona muy poco controlada en cuanto a cálculo.

Esto es debido a la naturaleza especial de la interfase donde confluyen telas y core además de resina y adhesivo del panel. Es recomendable realizar un modelo FEM para su análisis, ya que el modelo analítico es demasiado complicado de obtener: confluyen teoría de placas, teoría del laminado, mecánica de la fractura y estudios de interfases. Para obtener resultados de un estudio analítico sinb esntrar en los detalles de estudios anteriores, se requiere de simplificaciones importantes e hipótesis muy restrictivas si se desean obtener resultados  para casos concretos, no generalistas.

Cargas y tensiones en las telas.

La deformación es crítica en el centro del panel donde los momentos son máximos. Luego es importante determinar el valor de dichas deformaciones a través de las tensiones que aparecen. Las cargas en N/mm son:

siendo las tensiones:

Una vez establecido el análisis analítico se puede pasar a calcular los modos de fallo y dimensionar el panel. Dichos procedimientos y otros factores como la curvatura se analizarán en el siguiente artículo.

]]> http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2010/01/27/introduccion-a-los-paneles-sandwich-ii-distribucion-de-cargas-y-tensiones-en-un-panel-sandwich-bajo-la-accion-de-presiones-superficiales/feed/ 7 jbayoarias Dibujo rigideces_flexion Rigideces_cortadura distribuciones constantes_deflexion delta_max distribucion en barras reacciones Distribucion del momento y cortante Nx p rampa tensiones tensión x_y tension_xy http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2009/12/31/desde-ingenieria-de-materiales-os-deseamos/ http://ingenieriademateriales.wordpress.com/2009/12/31/desde-ingenieria-de-materiales-os-deseamos/#comments Wed, 30 Dec 2009 23:42:19 +0000 Salvador Ortolá (Administrador) http://ingenieriademateriales.wordpress.com/?p=405 ]]>

Un fuerte abrazo a todos,

el equipo administrador.

Sin más dilación, estas fueron nuestras preguntas y sus respuestas.

Volvemos a agradecerle su atención y el tiempo prestado.

Un saludo.

Ingeniería de Materiales: ¿Qué hay detrás del acrónimo FIDAMC y cómo surge?

Don Francisco Fenández Sánchez: Normalmente las fundaciones llevan el nombre de algún investigador de renombre, pero en esta ocasión se quiso hacer énfasis en los que había detrás de esta fundación y por eso las letras de Investigación, Desarrollo, Aplicación y Materiales Compuestos quisieron dejarse claras.

IdM: En la página web de la FIDAMC se puede leer que la Comunidad de Madrid, el Estado y el consorcio EADS aportan el capital necesario para poner en pie este proyecto. ¿Qué parte de fundación, como órgano promovedor-generador de conocimiento-valor; y qué parte de empresa, como ente capital, posee la FIDAMC?

D.FFS: Los socios fundadores se reparten el accionariado de la FIDAMC en la siguiente proporción 50% EADS, 25% CDTI, 25% Comunidad de Madrid, sin embargo la FIDAMC es una fundación sin ánimo de lucro, funcionamos solamente como órgano promovedor-generador de conocimiento-valor y no como empresa que deba de tener unos beneficios a repercutir en nuestros patronos, debemos de ser autofinanciables y los beneficios si los tuviéramos repercutirlos en mejorar nuestras instalaciones o en elaborar programas propios de investigación.

IdM: ¿Mantienen relación con otras organizaciones como la Asociación Española de Materiales Compuestos (AEMAC) ó  la Fundación Andaluza para el Desarrollo Aeroespacial y el Centro Avanzado de Tecnologías Aeroespaciales (FADA-CATEC)?

D.FFS: Mantenemos contactos con diversas organizaciones de ámbito nacional y europeo, entre ellas las que mencionas más arriba, pero no tenemos relación contractual con ninguna.

IdM: ¿En qué nivel de consolidación se encuentra actualmente la FIDAMC?

D.FFS: Nos hemos trasladado a nuestras instalaciones el pasado 30 de Noviembre, ahora mismo se están poniendo a punto toda la maquinaria de nuestras instalaciones, FP (Fiber Placement), ATL (Automatic Tape Lay-up), RTM (Resin Transfer Moulding), autoclaves, etc ,  y el centro estará plenamente operativo en el primer trimestre del año 2010.

IdM: Hablando más en términos ingenieriles, ¿en qué proyectos estan inviertiendo ahora mismo más recursos?

D.FFS: Los programas estrella de la FIDAMC, son los CENIT que anualmente saca a convocatoria pública el CDTI, el que tenemos aprobado y consolidado es el llamado ICARO “Innovación en Composites Avanzados y Rear end Optimizado”, en el que actuamos como OPI “Organismo Público de Investigación” de las BU’s (Business Units) españolas de EADS y de las principales empresas aeronáuticas españolas como Aernnova.

IdM: ¿Siente predilección por alguno en particular? ¿Por qué?

D.FFS: Los programas predilectos de la FIDAMC, son los que tengan un alto contenido en fabricación de componentes estructurales en materiales compuestos a escala industrial, como es el desarrollo de un marco integrado en una sección abierta de fuselaje, programa ATICA “Advanced Technology for Integrated Composite curved pAnels”

IdM: Sabemos que uno de sus caballos de batalla ha sido el estudio del comportamiento de los materiales compuestos de matriz termoestable frente al fuego. Háblenos un poco del programa COMPOFIRE y del SEICO-10.

D.FFS: El programa COMPOFIRE es un programa financiado por el Ministerio de Industria para centros tecnológicos, liderado por el CTA “Centro de Tecnologías Aeronáuticas” de Vitoria y que consiste en una primera fase de validación estructural de fuselajes fabricados en material compuesto frente al fuego, con los resultados obtenidos se ha elaborado un “paper” “A fire event in an aircraft made in composites, results of preliminary researches in flammability, heat transfer and toxicity” a presentar en París en las conferencias SEICO-10, que son las conferencias lideradas por la organización SAMPE “Society for the Advancement of Material and Process Engineering” en Europa al mismo tiempo que el JEC de composites, este año del 12 al 14 de Abril, estas conferencias de 3 días de duración, con tres sesiones a la vez, son una recopilación de las investigaciones de material compuesto realizadas en Europa el último año.

IdM: Personalmente, con una experiencia de más de 20 años en cálculo de aeroestructuras en EADS-CASA,  ¿cómo surge ese cambio de EADS-CASA a la FIDAMC?

D.FFS: Al ser la FIDAMC patrocinada al 50% por EADS, se acordó que el equipo directivo se formará con personas de experiencia reconocida en el mundo de los materiales compuestos de todas sus BU’s españolas, yo tuve el honor de ser elegido por parte de Airbus-Military, antigua EADS-CASA-MTAD, para hacerme cargo de la Subdirección de Ingeniería, ya que en mi anterior puesto en EADS-CASA había sido el responsable de cálculo estructural de los Fan Cowls de los Airbus A-340 y A-380, productos estrellas en materiales compuestos de EADS-CASA. Cuando me lo propusieron no lo dudé un instante ya que un trabajo de investigación que se pueda llevar desde el papel hasta el producto fabricado es un sueño para cualquier ingeniero.

IdM: ¿Siente optimismo cuando piensa en los materiales compuestos?

D.FFS: Por supuesto, en términos de resistencia-peso y resistencia a la fatiga no hay otro material mejor, y estamos solamente en los comienzos ya que no se han explotado todas sus posibilidades, laminados no convencionales, teorías de mecánica de la fractura en materiales compuestos, dopados con nanotubos de carbono, etc, campos en los que la FIDAMC ya tiene programas en marcha con Universidades,  Empresas y Centros de Investigación, y que darán otro salto cualitativo a los materiales compuestos en el siglo XXI

IdM: ¿Y cuando lee nuestro blog?

D.FFS: Todavía no lo he leído, pero estas Navidades que tendré unos días de descanso no dudaré en aventúrame en él.

Muchas gracias por este presente que nos ha dado. Esperamos seguir en contacto por mucho tiempo ya que creemos que los caminos de los materiales nos pueden deparar muchas sorpresas y alegrias. Más si son en buena compañía.

Gracias.

…desde Ingeniería de Materiales os proponemos una bibliografía básica, intermedia, avanzada y, sobre todo, muy recomendable.

Felices fiestas.

El equipo administrador.

Bibliografía Teórica

Roark’s Formulas for Stress and Strain. WARREN C. YOUNG, RICHARD G. BUDYNAS. Ed. McGraw-Hill.

Teoría de la Elasticidad y Resistencia de Materiales. F.París. Universidad de Sevilla. Escuela Superior de Ingenieros.

Diseño y Construcción de Uniones Soldadas. F.París. J. Cañas, R. Picón. Grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales de la Escuela Superior de Ingenieros de la Universidad de Sevilla. 2006.

Stress Concentration Factors: Charts and relations useful in making strength calculations for machine parts and structural elements. R.E. Peterson.

Elementary Engineering Fracture Mechanics. David Broek.

The practical use of fracture mechanics. David Broek.

Bibliografía para Materiales Compuestos

Introducción al Análisis y Diseño con Materiales Compuestos. F.París, J. Cañas, J.C. Marín. Universidad de Sevilla. Escuela Superior de Ingenieros, Universidad de Sevilla, 2002. ISBN:84-604-8498-X.

Composite Materials Handbook-MIL 17, Volume I: Guidelines for Characterization of Structural Materials. US Department Of Defense. Technomic Publishing Co., Inc; Materials Sciences Corporation and ASTM.

Bibliografía para Ingeniería Aeronáutica

Analysis and Design of Flight Vehicules Structures. F.E. Bruhn, B.S. M.S. C.E.

Airframe Structural Design. Practical Design Information and Data on Aircraft Structures. Michael Chun-Yung Niu (Conmilit Press Ltd.)

Para explicar mejor uno de nuestros artículos más consultados (Manual del Aluminio y sus Aleaciones) y a la vez que sirva de introducción en la normalización de este metal, os dejamos a continuación un pequeño escrito que os ayudará a comprender mejor la clasificación del aluminio y de sus aleaciones.

Introducción

Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables térmicamente. Las no tratables térmicamente solo pueden ser trabajadas en frío con el fin de aumentar su resistencia.

Dentro de las aleaciones para forja, los grupos principales de las no tratables térmicamente son: 1xxx, 3xxx y 5xxx. Dentro de las tratables térmicamente los grupos principales son: 2xxx, 6xxx y 7xxx. En esta ultima división, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias mecánicas, los grupos 2xxx y 7xxx.

Las reglas para nombrar los materiales de aleaciones forjados se encuentran en la norma EN 573. El nombre está compuesto por lo siguiente:

EN – Norma Europea

A – para Aluminio

W – para declarar que es un “Producto Semi-terminado”.

Y cuatro números para la composición química:

El primer número da el elemento aleado principal.

El segundo número indica sí es una aleación básica (designación  ”O”) o una modificación (1 - 9).

Los últimos números indican la posición de la aleación en su grupo.  Por ejemplo, el EN AW-6061. Además, se pueden añadir los elementos aleados, seguidos por números que indican el contenido del elemento: EN AW-6061 [AlMg1SiCu].

Aleaciones para fundición

Desde 1996, la norma EN 1780 arregla los nombres de aleaciones de aluminio para la fundición.  Se utiliza un sistema numérico de cinco cifras. Primero, se pone „EN“ para la norma europea, seguido por „A“ para Aluminio. Sigue una letra que indica la forma de producción ( B para lingotes, C para fundiciones). Después cinco números para la composición química. Por ejemplo EN AB-44000.

El primer número es para el elemento aleado principal, igual que en los nombres de las aleaciones para la forja, el segundo para el grupo de la aleación. El tercer número es arbitrario, el cuarto en general 0.  El quinto es siempre 0, menos cuando se trata de aleaciones para la industria aeronaútica.

También es posible poner la composición química detrás del nombre:  EN AB-45400 [Al Si5Cu3].

Otras normas que tratan el aluminio y sus aleaciones

>> Continuar con el siguiente artículo: Manual del Aluminio y sus Aleaciones.

Hace unos días pudimos leer esta carta en uno de los grupos profesionales de LinkedIn en los que estamos presentes en internet. Nos pareció que sería interesante publicarla en el blog dada la dedicación a los materiales compuestos que últimamente estamos haciendo.  Así que, aqui os la dejamos.

Un saludo.

“La FIDAMC (EADS-IW-Spain) junto con el CTA (Centro de Tecnologías Aeronáuticas) – Vitoria, ha terminado con éxito dos años de pruebas de flamabilidad, toxicidad, emisión de gases y transferencia de calor, en materiales compuestos termoestables a usar en futuros fuselajes de aviones de transporte, el programa financiado por el Gobierno de España se ha llamado programa COMPOFIRE.

Queremos ambas entidades continuar y ampliar este tipo de estudios a materiales termoplásticos, a compuestos dopados con nanocomposites o nanopartículas, ademas de hacer estudios del comportamiento frente al fuego de estructuras típicas de fuselajes como son un revestimiento con larguerillos pegados, y verificar su resistencia combinada frente a fuego y carga.

Hago desde aquí un llamamiento a las empresas interesadas en todo lo referente a la investigación frente al fuego en los materiales compuestos a ponerse en contacto con la FIDAMC en el e-mail fco.fernandez@fidamc.es con el objetivo de aunar esfuerzos para conseguir financiación pública adicional para este tipo de estudios.”

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