Comparación de la ductilidad del acero frente al aluminio

Al comparar acero y aluminio, el acero se destaca como el más fuerte de los dos metales porque es 2,5 veces más denso que el aluminio y tiene una alta resistencia a la tracción. El acero también ofrece más resistencia a la corrosión que el aluminio. Sin embargo, el aluminio es más dúctil que el acero, lo que le otorga una excelente maleabilidad que beneficia específicamente a industrias como la aeroespacial, eléctrica y de la construcción.

A continuación, profundizamos en la ductilidad del acero frente al aluminio y discutimos por qué la ductilidad es importante, especialmente cuando se trata de aplicaciones estructurales.

¿Qué es la ductilidad?

La ductilidad se refiere a la capacidad de un metal para resistir la deformación plástica sin fracturarse bajo tensión o deformación.

Dos valores diferentes suelen definir la resistencia de un material:

1. Fuerza máxima: La fuerza máxima que un material puede soportar antes de fallar
2. Límite elástico: La tensión máxima que un material puede soportar cuando se deforma dentro de su límite elástico

La ductilidad del material se refiere a la zona entre el límite elástico y la resistencia última a la tracción. Cuanta más distancia hay entre los dos puntos, más dúctil es el material.

La importancia de la ductilidad

La ductilidad permite que las estructuras se doblen hasta cierto punto sin romperse. Esta característica es muy útil para el diseño de estructuras resistentes a sismos.

El objetivo de los códigos de construcción convencionales es evitar el colapso en casos de peligros ambientales extremos, como los terremotos. Para evitar un colapso repentino, la respuesta estructural de un edificio a las ondas sísmicas debe ser alta y también debe poder reducir simultáneamente la amplitud de la vibración. Agregar ductilidad a los elementos estructurales actúa como un sumidero de las energías sísmicas producidas durante los terremotos.

El uso de materiales dúctiles en aplicaciones estructurales tiene los siguientes beneficios:

• Agrega robustez a las estructuras
• Distribución uniforme de la tensión y la fuerza en toda la estructura
• Mejora la fuerza de los miembros, las conexiones y las estructuras
• Muestra una advertencia de falla antes del colapso
• Permite que las estructuras sobrevivan a fuertes cargas sísmicas

La ductilidad del acero frente al aluminio

Para comprender mejor la ductilidad del acero frente al aluminio, primero examinemos cada una de sus estructuras.

El aluminio forma una estructura cristalina repetitiva, que también se conoce como estructura cúbica centrada en las caras (FCC). Una de las ventajas de esta estructura es que contiene sistemas de deslizamiento que se deforman fácilmente cuando se aplica fuerza. Esta es la razón por la que el aluminio es más dúctil que el acero, que tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). Una estructura BCC no tiene una estructura atómica estrechamente empaquetada y también carece de sistemas de deslizamiento predominantes como FCC. Sin embargo, los materiales BCC pueden activar el deslizamiento con energía térmica.

Al considerar la ductilidad del acero, el acero es una aleación de hierro y carbono. En el hierro, la disposición de los átomos depende de la temperatura, lo que significa que la resistencia del acero se puede aumentar mediante varios tratamientos térmicos y procesos de enfriamiento. Sin embargo, con una mayor resistencia, el acero comienza a perder su ductilidad. Por ejemplo, el acero martensítico es el grado de acero más resistente y duro disponible, pero también es el más frágil. La adición de elementos de aleación adicionales, junto con el calentamiento y el enfriamiento rápido, puede aumentar en gran medida la ductilidad del acero. Por ejemplo, la adición de una cantidad muy pequeña de carbono al acero puede aumentar su ductilidad hasta un 50 % de la de una aleación de aluminio.

En comparación, el aluminio es un material relativamente blando con un punto de fusión bajo; por lo tanto, el aluminio puro es de naturaleza altamente dúctil. Debido a su alta ductilidad, las aleaciones de aluminio se astillan más fácilmente que el acero o el cobre, lo que les permite formarse cerca del final del diseño del producto. Como resultado, el aluminio es muy buscado, tanto para prototipos como para series de producción.

Los beneficios y desafíos del mecanizado de acero y aluminio

La ductilidad del acero frente al aluminio les permite desarrollar formabilidad sin dañarse. Los aceros se pueden estirar en alambres, vigas, barras y marcos para cumplir con los requisitos específicos de cualquier construcción. Del mismo modo, puede utilizar la ductilidad del aluminio para crear placas de herramientas, varillas, tubos, láminas, alambres y más. Como el aluminio conduce y disipa el calor rápidamente, se mantiene estable con menos distorsión durante la soldadura por arco, en comparación con el acero o el cobre.

Sin embargo, todos estos beneficios vienen con costosos desafíos de mecanizado. Mientras mecaniza metales dúctiles, la herramienta de corte crea tensión de compresión en la pieza de trabajo. El esfuerzo se convierte gradualmente en esfuerzo cortante de diferentes magnitudes y se propaga en múltiples direcciones al ángulo de corte. Cuando este esfuerzo cortante excede la deformación del material, se produce la formación de virutas continuas. El material acumulado se adhiere a la punta de la herramienta y a la pieza de trabajo, lo que da como resultado un acabado superficial deficiente y requiere que la herramienta corte con mayor fuerza en cada pasada.

Para superar este desafío, es importante utilizar herramientas de gama alta a baja velocidad con una gran fuerza de fricción respaldada por una alta velocidad de avance. La ausencia de las herramientas y la experiencia adecuadas puede generar más desperdicio y un consumo excesivo de materias primas, lo que resulta en un retorno de la inversión bajo.

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