MATERIALES PARA INGENIERÍA 1Introducción a las propiedades, las aplicaciones y el diseño

Michael F. Ashby \ David R. H. Jones

Barcelona · Bogotá · Buenos Aires · Caracas · México

Department of Engineering, University of Cambridge, UK

Título de la obra original: Engineering Materials I. An Introduction to Properties, Applications and Design

Edición original en lengua inglesa: Elsevier Butterworth-Heinemann Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 30 Corporate Drive, Burlington, MA 01803 Copyright © 2005 All rights reserved.

Versión española traducida por: Juan Baselga Llidó* (Coordinador) Dr. Ciencias Químicas

Julio Bravo de Pedro** Dr. Ciencias Químicas

Javier González Benito** Dr. Ciencias Químicas

Elena Gordo Odériz** Dr. Ingeniero de Minas

Belén Levenfeld Laredo** Dr. Ciencias Químicas

José Manuel Torralba Castelló* Dr. Ingeniero de Minas y Dr. Ingeniero de Arma-mento y Material

Alejandro Várez Álvarez** Dr. Ciencias Químicas

Catedráticos (*) y Profesores Titulares (**) de Universidad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química, Universidad Carlos III de Madrid

MAQUETACIÓN: Reverté-Aguilar, S. L.

Propiedad de: EDITORIAL REVERTÉ, S. A. Loreto, 13-15. Local B 08029 Barcelona. ESPAÑA Tel: (34) 93 419 33 36 Fax: (34) 93 419 51 89 reverte@reverte.com www.reverte.com

Edición en español:

© Editorial Reverté, S. A., 2008 ISBN: 978-84-291-7255-3 Volumen 1 ISBN: 978-84-291-7257-7 Obra completa

Impreso en España - Printed in Spain

Depósito Legal: B-9410-2008

Impreso por Liberdúplex, S. L. U.

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ASHBY, MICHAEL F. [Engineering Materials 1. An Introduction to Properties, Applications and Design. Español]

Materiales para ingeniería 1 : Introducción a las propiedades, las aplicaciones y el diseño / Michael F. Ashby ; [versión española traducida por Juan Baselga Llidó ... [et al.] – Barcelona : Reverté, 2008 XIV, 424 p. : il., gráf. ; 24 cm. Traducción de: Engineering Materials1. An Introduction to Properties, Applications and Design. – Índice DL-B 9410 -2008. - ISBN 978-84-291-7255-3 (vol. 1) 1. Materiales para ingeniería 1. I. Jones, David R. H., coaut. II. Baselga Llidó, Juan, coord., trad. III. Título. 620

Índice

Introducción general xi

1. Los materiales de ingeniería y sus propiedades 1

1.1 Introducción 21.2 Ejemplos de selección de materiales 4

A. Precio y disponibilidad 15

2. El precio y la disponibilidad de los materiales 17

2.1 Introducción 182.2 Datos sobre los precios de los materiales 182.3 Utilización de los materiales 202.4 Materiales ubicuos 212.5 Crecimiento exponencial del consumo de los materiales 222.6 Disponibilidad de recursos 232.7 El futuro 252.8 Conclusión 26

B. Los módulos de elasticidad 29

3. Los módulos de elasticidad 31

3.1 Introducción 323.2 Definición de tensión 323.3 Definición de deformación 353.4 Ley de Hooke 363.5 Medida del módulo de Young 373.6 Valores del módulo de Young 39

4. Enlace atómico 43

4.1 Introducción 444.2 Enlaces primarios 454.3 Enlaces secundarios 494.4 Estado condensado de la materia 514.5 Fuerzas interatómicas 51

5. Empaquetamiento atómico en los sólidos 55

5.1 Introducción 565.2 Empaquetamiento de átomos en cristales 565.3 Estructuras compactas y energías del cristal 56

vi Índice

5.4 Cristalografía 585.5 Índices de los planos 605.6 Índices de las direcciones 615.7 Otras estructuras cristalinas sencillas importantes 625.8 Empaquetamiento de átomos en polímeros 645.9 Empaquetamiento de átomos en vidrios inorgánicos 65

5.10 La densidad de los sólidos 66

6. Bases físicas del módulo de Young 73

6.1 Introducción 746.2 El módulo de los cristales 746.3 Elastómeros y temperatura de transición vítrea 766.4 Materiales compuestos 786.5 Resumen 81

7. Casos prácticos de diseño limitado por el módulo 85

7.1 Caso práctico 1: el espejo de un telescopio, incluyendo la selección del material para minimizar la deflexión del disco por su propio peso 86

7.2 Caso práctico 2: selección de materiales para producir una viga de una rigidez dada con el mínimo peso 91

7.3 Caso práctico 3: selección de materiales para minimizar el coste de una viga de una rigidez dada 93

C. Límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad 97

8. Límite elástico, resistencia a la tracción y ductilidad 99

8.1 Introducción 1008.2 Elasticidad lineal y no lineal; comportamiento anelástico 1008.3 Curvas de carga-alargamiento características del comportamiento no elástico (plástico) 1018.4 Curvas de tensión-deformación verdaderas para flujo plástico 1038.5 Trabajo por deformación plástica 1068.6 Ensayo de tracción 1068.7 Datos 1078.8 Ensayo de dureza 1088.9 Revisión de los términos mencionados en este capítulo y algunas relaciones útiles 111

9. Dislocaciones y deslizamiento en cristales 119

9.1 Introducción 1209.2 Resistencia de un cristal perfecto 1209.3 Dislocaciones en cristales 1229.4 La fuerza que actúa sobre una dislocación 1289.5 Otras propiedades de las dislocaciones 129

Índice vii

10. Métodos de endurecimiento y deformación plástica de policristales 131

10.1 Introducción 13210.2 Mecanismos de endurecimiento 13210.3 Endurecimiento por disolución sólida 13210.4 Endurecimiento por precipitación y dispersión 13310.5 Endurecimiento por trabajo en frío 13510.6 Resistencia al deslizamiento de las dislocaciones 13510.7 Deformación plástica en policristales 13610.8 Consideraciones finales 139

11. Aspectos vinculados al flujo plástico 141

11.1 Introducción 14211.2 La aparición de cedencia y el límite elástico a cizalladura, k 14211.3 Análisis del ensayo de dureza 14411.4 La inestabilidad plástica: estricción en cargas a tracción 145

12. Casos prácticos de diseño según el límite elástico 153

12.1 Introducción 15412.2 Caso práctico 1. Diseño elástico: materiales para muelles 15412.3 Caso práctico 2. Diseño plástico: materiales para una vasija a presión 15912.4 Caso práctico 3. Plasticidad con gran deformación: laminación de metales 160

D. Fractura rápida y tenacidad 167

13. Fractura rápida y tenacidad 169

13.1 Introducción 17013.2 Criterio energético para la fractura rápida 17013.3 Valores de Gc y Kc 175

14. Micromecanismos de la fractura rápida 181

14.1 Introducción 18214.2 Mecanismos de propagación de una grieta, 1: desgarro dúctil 18214.3 Mecanismos de propagación de una grieta, 2: clivaje 18414.4 Materiales compuestos, incluida la madera 18614.5 Fragilidad de las aleaciones 187

15. Casos prácticos de fractura rápida 191

15.1 Introducción 19215.2 Caso práctico 1: fractura rápida en un tanque de amoniaco 19215.3 Caso práctico 2: explosión de una ventana de presión

de polimetacrilato de metilo durante un ensayo hidrostático 19515.4 Caso práctico 3: agrietamiento de una camisa de espuma

de poliuretano en un tanque de metano líquido 19815.5 Caso práctico 4: colapso de la barandilla de madera de una terraza 202

viii Índice

16. Probabilidad de fractura en los materiales frágiles 209

16.1 Introducción 21016.2 Estadística de la resistencia y distribución de Weibull 21216.3 Caso práctico: agrietamiento de la camisa de espuma de poliuretano

de un tanque de metano líquido 216

E. Fallo por fatiga 221

17. Fallo por fatiga 223

17.1 Introducción 22417.2 Comportamiento a fatiga de componentes sin grietas 22417.3 Comportamiento a fatiga de componentes preagrietados 22817.4 Mecanismos de fatiga 230

18. Diseño según la fatiga 237

18.1 Introducción 23818.2 Datos de la fatiga en componentes sin grietas 23818.3 Concentración de tensiones 23918.4 Factor de sensibilidad a la entalla 24018.5 Datos de la fatiga en uniones soldadas 24118.6 Técnicas para mejorar el comportamiento a fatiga 24218.7 Diseño para evitar ciclos a fatiga 24418.8 Comprobación de vasijas a presión frente al agrietamiento por fatiga 246

19. Casos prácticos de diseño a fatiga 251

19.1 Introducción 25219.2 Caso práctico 1: fatiga a alto número de ciclos de un componente

no agrietado –fallo de un tubo de órgano 25219.3 Caso práctico 2: fatiga a bajo número de ciclos de un componente

no agrietado –fallo de la argolla de sujeción de un sumergible 25919.4 Caso práctico 3: fatiga de un componente agrietado –la seguridad de la máquina Stretham 264

F. Deformación por fluencia y fractura 271

20. Fluencia y fractura por fluencia 273

20.1 Introducción 27420.2 Ensayo de fluencia y curvas de fluencia 27720.3 Relajación por fluencia 28020.4 Daño por fluencia y fractura por fluencia 28220.5 Materiales resistentes a la fluencia 283

21. Teoría cinética de la difusión 287

21.1 Introducción 28821.2 La difusión y la ley de Fick 289

Índice ix

21.3 Coeficientes de difusión 29321.4 Mecanismos de difusión 294

22. Mecanismos de fluencia y materiales resistentes a la fluencia 299

22.1 Introducción 30022.2 Mecanismos de fluencia: metales y cerámicos 30022.3 Mecanismos de fluencia: polímeros 30722.4 Selección de materiales resistentes a la fluencia 309

23. El álabe de una turbina: un caso práctico de diseño limitado por la fluencia 311

23.1 Introducción 31223.2 Propiedades del álabe de una turbina 31323.3 Superaleaciones base níquel 31423.4 Desarrollos de ingeniería: enfriamiento del álabe 31823.5 Desarrollos futuros: metales y materiales compuestos de matriz metálica 31923.6 Desarrollos futuros: cerámicas de alta temperatura 32123.7 Rentabilidad 322

G. Oxidación y corrosión 325

24. Oxidación de los materiales 327

24.1 Introducción 32824.2 La energía de oxidación 32824.3 Velocidades de oxidación 32924.4 Datos 33224.5 Micromecanismos 332

25. Casos prácticos de oxidación seca 337

25.1 Introducción 33825.2 Caso práctico 1: fabricación de aleaciones inoxidables 33825.3 Caso práctico 2: protección de álabes de turbina 33925.4 Operaciones de unión: un apunte final 343

26. Corrosión húmeda de los materiales 345

26.1 Introducción 34626.2 Corrosión húmeda 34626.3 La diferencia de potencial como fuerza impulsora de la oxidación húmeda 34726.4 Velocidad de oxidación húmeda 35026.5 Ataque localizado 350

27. Casos prácticos de corrosión húmeda 357

27.1 Introducción 35827.2 Caso práctico 1: protección de tuberías subterráneas 35827.3 Caso práctico 2: materiales para un tejado ligero de una fábrica 36027.4 Caso práctico 3: sistemas de escape de gases en automóviles 363

x Índice

H. Fricción, abrasión y desgaste 367

28. Fricción y desgaste 369

28.1 Introducción 37028.2 Fricción entre materiales 37028.3 Valores de los coeficientes de rozamiento 37328.4 Lubricación 37428.5 Desgaste de materiales 37528.6 Propiedades superficiales e intrínsecas 377

29. Casos prácticos de fricción y desgaste 381

29.1 Introducción 38229.2 Caso práctico 1: diseño de cojinetes lisos 38229.3 Caso práctico 2: materiales para esquíes y trineos 38529.4 Caso práctico 3: elastómeros de alta fricción 387

I. Diseñando con metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos 391

30. Diseño con materiales 393

30.1 Introducción 39430.2 Metodología del diseño 396

31. Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches 399

31.1 Introducción 40031.2 Coches y energía 40031.3 Medios para economizar la energía 40031.4 Materiales en el coche 40231.5 Materiales alternativos 40231.6 Métodos de producción 40831.7 Conclusiones 410

Apéndice: Símbolos y fórmulas 411Referencias 419Índice 421

Introducción general

Al estudianteLa innovación en ingeniería a menudo significa el uso inteligente de un nuevo material –nuevo para unaaplicación determinada, pero no necesariamente nuevo (aunque sí algunas veces) en el sentido de desarro-llado recientemente. Los clips de plástico y los álabes cerámicos de las turbinas representan intentos demejorar con polímeros y con cerámicos lo que previamente se hacía con metales. Y los desastres en inge-niería con frecuencia están causados por un mal uso de los materiales. Cuando una cucharilla de plástico secomba mientras se remueve el té, o cuando un avión cae al suelo porque aparecen fisuras en su cola, sedebe a que los ingenieros que los diseñaron emplearon materiales equivocados o no entendieron las propie-dades de éstos. Por ello es vital que el ingeniero profesional conozca cómo se seleccionan los materiales ysepa cuál se ajusta a las demandas del diseño –demandas económicas y estéticas, así como de resistenciay durabilidad. El diseñador debe comprender las propiedades de los materiales y sus limitaciones.

Este libro presenta una amplia introducción a estas propiedades y limitaciones. No nos hace expertosen materiales, pero puede enseñarnos cómo hacer una elección sensata de un material, cómo evitar loserrores que, en el pasado, han producido bochorno o tragedia, y dónde encontrar una ayuda más detallada.

En el índice se aprecia que los capítulos están organizados en grupos, de los que cada uno describe unaclase particular de propiedades: módulo elástico, tenacidad a la fractura, resistencia a la corrosión, etcétera.Cada grupo de capítulos comienza con la definición de la propiedad, explicando cómo se mide y propor-cionando los datos que se emplearán para resolver problemas relacionados con el diseño con materiales.Luego se pasa a la ciencia básica que subyace detrás de cada propiedad y se muestra cómo se puede usareste conocimiento fundamental para seleccionar los materiales con mejores propiedades. Cada grupo fina-liza con un capítulo de casos prácticos en los que la comprensión y los datos para cada propiedad se apli-can a problemas ingenieriles prácticos que atañen a los materiales.

Al final de cada capítulo hay una serie de ejemplos; cada uno de ellos se ha elegido para consolidar odesarrollar algunos aspectos específicos tratados en el texto. Mientras un capítulo determinado esté todavíafresco en la mente se debe intentar hacer los ejemplos propuestos. De esta forma estaremos seguros dedominar cada aspecto tratado.

Ningún ingeniero pretende aprender o recordar tablas y listas de valores de propiedades de los materia-les, pero se debería intentar recordar los órdenes de magnitud de estas cantidades. Los fruteros saben que“un kilo de manzanas es aproximadamente 10 manzanas” –las pesan, pero su conocimiento les evita come-ter errores tontos que les podrían costar dinero. De forma análoga, un ingeniero debería conocer que “lamayoría de los módulos de elasticidad están comprendidos entre 1 y 103 GN m–2 y en torno a 102 GN m–2

para los metales” –en cualquier diseño real se necesita un valor exacto, que se obtiene a partir de las espe-cificaciones de los suministradores, pero el conocimiento de los órdenes de magnitud evita errores de uni-dades o cometer equivocaciones absurdas y costosas. Para ayudar en esta tarea, al final del libro se haañadido una lista de definiciones importantes y fórmulas que se deberían conocer, o ser capaz de deducir, yun resumen de los órdenes de magnitud de las propiedades de los materiales.

Al profesorEste libro es un curso de Materiales de Ingeniería para estudiantes de ingeniería sin conocimientos previosen la materia. Está diseñado para enlazar con las enseñanzas de diseño, mecánica y estructuras, y para satis-facer las necesidades de los estudiantes de ingeniería de un primer curso de materiales, enfatizando las apli-caciones de diseño.

xii Introducción general

El texto es conciso a propósito. Cada capítulo está diseñado para cubrir el contenido de unos 50 minu-tos de clase, y deja tiempo para demostraciones y gráficos. El texto ofrece casos prácticos que aplican elmaterial de las clases precedentes. Hay ejemplos para el estudiante al final de cada capítulo.

Se ha hecho un esfuerzo para reducir el análisis matemático al nivel más sencillo posible, aunque man-teniendo la comprensión física esencial y llegando a resultados que, aunque aproximados, son útiles. Perose han evitado descripciones sencillas: la mayoría de los casos prácticos y de los ejemplos realizan análisisy utilizan datos para llegar a las soluciones numéricas de problemas reales o postulados. Este nivel de aná-lisis, y estos datos, son similares a los que deberían emplearse en los estudios preliminares para la selec-ción de un material o en los análisis de un diseño (o del fallo de un diseño). Es necesario indicar a losestudiantes que el siguiente paso debería requerir un análisis mecánico más preciso y detallado y elempleo de datos de los suministradores de materiales o hallados en ensayos de laboratorio. Los datos delos materiales varían de una forma notoria. Las tablas de datos aproximados, como las que se dan aquí,aunque útiles nunca deberían utilizarse en los diseños reales.

AgradecimientosLos autores y los editores agradecen a los propietarios de los derechos de reproducción el permiso parareproducir sus fotografías en las siguientes figuras: 1.3, Rolls-Royce Ltd; 1.5, Catalina Yachts Inc; 7.1,Photo Labs, Royal Observatory, Edinburgh; 9.11, Dr Peter Southwick; 31.7, Group Lotus Ltd; 31.2 Photocredit to Brian Garland © 2004, cortesía de Volkswagen.

2 Capítulo 1 Los materiales de ingeniería y sus propiedades

1.1 Introducción

Se dice que existen más de 50 000 materiales disponibles para el ingeniero. En el diseñode una estructura o dispositivo, ¿cómo elegirá el ingeniero entre un menú tan amplio elmaterial más adecuado? Los errores pueden causar desastres. Durante la Segunda GuerraMundial, un tipo de barco mercante fabricado por soldadura sufrió grandes pérdidas perono causadas por el enemigo, sino a causa de que se partió por la mitad en el mar: la tena-cidad a la fractura del acero, en particular la de las soldaduras 1-1, era muy pequeña.Más recientemente, tres aviones Comet se perdieron antes de que se cayera en la cuentade que el valor de diseño de la resistencia a la fatiga –para los marcos de las ventanillas–era superior a la del material elegido. El lector mismo tendrá experiencias negativas acausa de un mal diseño en aparatos de plástico: sus frecuentes fallos se deben a que elque los diseñó probablemente no consideró el bajo módulo que tienen los polímeros. Enla Tabla 1.1 se listan estas propiedades de los materiales junto con otras que debe consi-derar el diseñador a la hora de elegir un material. Muchas de estas propiedades segura-mente serán familiares al lector y se presentarán con algunos ejemplos en este capítulo.Son la base de este primer curso de materiales.

Tabla 1.1 Tipos de propiedades.

Económicas Precio y disponibilidadReciclabilidad

Físicas Densidad

Mecánicas MódulosLímite elástico y resistencia a la tracciónDurezaTenacidad a la fracturaResistencia a la fatigaResistencia a la fluenciaAmortiguamiento de las vibraciones

Térmicas Conductividad térmicaCalor específicoCoeficiente de expansión térmica

Eléctricas y magnéticas ResistividadConstante dieléctricaPermeabilidad magnética

Interacción con el entorno OxidaciónCorrosiónDesgaste

Producción Facilidad de fabricaciónUniónAcabado

Estéticas ColorTexturaAspecto

1.1 Introducción 3

En este primer curso también trataremos los distintos tipos de materiales que semuestran en la Tabla 1.2 y en la Figura 1.1. La mayoría de los componentes de ingenieríaestán fabricados con metales y aleaciones, más que con ningún otro tipo de material.Pero, de forma creciente, los polímeros son cada vez más atractivos para el diseñador acausa de que ofrecen una buena combinación de propiedades. Y basta con leer un perió-dico para cerciorarse de que las cerámicas, aún en desarrollo en el mundo, son un tipo dematerial de ingeniería emergente que permite fabricar motores más eficientes desde elpunto de vista térmico, cuchillos más afilados y cojinetes con menos fricción. El inge-niero puede combinar las mejores de estas propiedades para producir materiales com-puestos (el más típico es la fibra de vidrio), que también ofrecen un atractivo conjunto depropiedades. Y finalmente no podemos ignorar los materiales naturales, como la maderao la piel, que poseen propiedades que –incluso con los desarrollos científicos actuales enciencia de materiales– son difíciles de superar.

Tabla 1.2 Tipos de materiales.

Metales y aleaciones Hierro y acerosAluminio y sus aleacionesCobre y sus aleacionesNíquel y sus aleacionesTitanio y sus aleaciones

Polímeros Polietileno (PE)Polimetacrilato de metilo (PMMA)Poliamidas –nailon– (PA) Poliestireno (PS)Poliuretano (PU)Policloruro de vinilo (PVC)Politereftalato de etilenglicol (PET)Polieteretercetona (PEEK)Resinas epoxi (EP)Elastómeros, como el caucho natural (NR)

Cerámicos y vidrios* Alúmina –esmeril, zafiro– (Al2O3)Magnesia (MgO)Sílice (SiO2), vidrio y silicatosCarburo de silicio (SiC)Nitruro de silicio (Si3N4)Cemento y hormigón

Materiales compuestos Polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP)Polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP)Polímeros cargadosCermets

Materiales naturales MaderaPielAlgodón, lana, sedaHueso

*Las cerámicas son cristalinas, inorgánicas, no metálicas. Los vidrios son sólidos nocristalinos (o amorfos). La mayoría de los vidrios para ingeniería son no metálicos, perohoy existe un gran número de vidrios metálicos con propiedades útiles.

1.2 Ejemplos de selección de materiales 5

siado. Un alto módulo es uno de los criterios de selección de un material para estaaplicación, pero no el único. La varilla ha de tener, además, un alto límite elástico. Sino lo tiene se doblará o torcerá cuando se gire con fuerza (los malos destornilladores lohacen). Además, debe tener una gran dureza, porque si no se dañará con la cabeza deltornillo. En conjunto, el material de la varilla, incluyendo su extremo plano, no sólodebe cumplir estos requisitos sino que además ha de soportar una posible rotura –elvidrio, por ejemplo, tiene un alto módulo, un alto límite elástico y una gran dureza,pero no es una buena elección para esta aplicación porque es muy frágil. De forma másprecisa, diremos que posee una baja tenacidad a la fractura; la del acero es alta, puesse deforma antes de romperse.

El mango del destornillador es de un polímero o plástico, en este caso polimetacrilatode metilo, también conocido como PMMA, “plexiglas” o “perspex”. El mango tiene unasección mayor que la varilla, por lo que su posible torsión, y por tanto su módulo, impor-tan menos. No sería muy conveniente un elastómero blando (otro polímero) porque sumódulo es demasiado bajo, aunque un recubrimiento fino de caucho podría ser útil gra-cias a su elevado coeficiente de fricción, evitando que se deslice. Antiguamente, porsupuesto, los mangos de las herramientas se hacían de otro polímero natural –madera– y,quitando importancia al volumen consumido por año, la madera aún es el polímero másimportante disponible para el ingeniero. La madera se remplaza por PMMA porque éstese reblandece con la temperatura y se puede moldear de forma sencilla y darle formascomplejas. Es fácil de fabricar para esta aplicación. También se elige por cuestionesestéticas: su aspecto, su textura, son adecuados; además, su densidad es baja, por lo queno hace pesado al destornillador. Por último, el PMMA es barato, lo que permite que elproducto final tenga un precio razonable.

Vayamos a un segundo ejemplo (Figura 1.3), tomado de la ingeniería de diseño demateriales avanzados para turbinas de motores de grandes aviones. El aire es forzado apasar (y entrar) al motor a través de la turbina, suministrando empuje aerodinámico. Elaire se comprime en los álabes del compresor, se mezcla con el combustible y se quemaen la cámara de combustión. Los gases expansionados mueven los álabes, que proporcio-nan energía a la turbina y a los álabes de compresión, y finalmente pasan a la parte poste-rior y contribuyen al empuje.

Los álabes de turbina son de una aleación de titanio, un metal. Tienen suficientemódulo, límite elástico y tenacidad a la fractura. Pero el metal también tiene que resistira la fatiga (causada por cargas alternativas rápidas), debe tener buena resistencia al des-gaste superficial (provocado por el golpeteo de gotas de agua o pájaros) y ser resistentea la corrosión (importante en ambientes próximos al mar por la posible entrada de salpulverizada al motor). Por último, la densidad es un factor extremadamente importantepor razones evidentes: cuanto más pesado sea el motor, menos carga podrá llevar elavión. En un esfuerzo por reducir aún más el peso se han probado álabes de polímerosreforzados con fibra de carbono (CFRP), cuya densidad es la mitad que la del titanio.Pero los CFRP no cubren todos los requerimientos de un álabe de turbina, ya que elgolpe de un pájaro los rompería. La solución podría ser revestir con metal un álabe deCFRP.

Volviendo a los álabes de turbina de la zona más caliente del motor, éstos deben satis-facer aún más requerimientos. El combustible debe quemarse a la temperatura más altaposible, para optimizar el rendimiento. La primera fila de álabes (los llamados HP1)

6 Capítulo 1 Los materiales de ingeniería y sus propiedades

soporta temperaturas de 950 ºC, por lo que se requiere de ellos una buena resistencia a lafluencia y a la oxidación. Para esta exigente aplicación se utilizan superaleaciones a basede níquel, de composición y estructura compleja, que son la cúspide de la pirámide deesta avanzada tecnología.

Un ejemplo que también permite analizar distintos requisitos son las bujías de unmotor de combustión interna (Figura 1.4). Los electrodos que producen la chispa debensoportar fatiga térmica (cambios bruscos de temperatura), desgaste (causado por la ero-sión de la chispa), y corrosión y oxidación, a causa de los gases de la parte alta de loscilindros, que contienen compuestos nocivos como el azufre. Para estos electrodos se uti-lizan aleaciones de wolframio porque cumplen todas estas propiedades.

El aislante de la zona central del electrodo es un ejemplo de material no metálico –eneste caso alúmina, una cerámica. Se elige por sus propiedades como aislante eléctrico yporque posee una buena resistencia a la fatiga térmica, a la corrosión y a la oxidación (yaes un óxido).

El uso de materiales no metálicos ha crecido de manera rápida en la industria de con-sumo. Nuestro siguiente ejemplo, un barco de recreo (Figura 1.5), muestra cómo lospolímeros, los materiales compuestos artificiales y las fibras han sustituido a los materia-les “tradicionales” como el acero, la madera y el algodón. Un casco de yate típico es deGFRP, fabricado en un molde único; el GFRP tiene un buen aspecto y, a diferencia delacero o la madera, no se oxida ni sirve de alimento a moluscos y gusanos. El mástil sehace de aleaciones de aluminio, más ligeras que la madera para una resistencia dada; los

Figura 1.3 Corte transversal de una turbina de motor de aviación.

4.3 Enlaces secundarios 49

El enlace metálico, como su nombre indica, es el enlace dominante (aunque no elúnico) en los metales y sus aleaciones. En un metal sólido (o líquido) los electrones conmayor energía tienden a deslocalizarse con respecto a los átomos (que se convierten eniones) y a combinarse formando un “mar” de electrones que no están ligados a ningúnion en particular (Figura 4.8). Esto da lugar a una curva de energía muy similar a la delenlace covalente; se puede describir mediante la ecuación (4.4) y tiene una forma similara la que aparece en la Figura 4.6.

La facilidad de movimiento de los electrones da lugar a la elevada conductividadeléctrica que presentan los metales. El enlace metálico no es direccional, por lo que losiones metálicos tienden a empaquetarse para dar lugar a estructuras con elevada densi-dad, como bolas de cojinete agitándose en una caja.

4.3 Enlaces secundarios

Los enlaces secundarios son muy importantes, aunque sean más débiles que los enlacesprimarios. Son los que unen las moléculas poliméricas en el polietileno y otros políme-ros, y los hacen sólidos. Sin ellos, el agua herviría a –80 ºC y la vida en la Tierra, tal ycomo la conocemos, no existiría.

Las interacciones de Van der Waals consisten en atracciones con carácter dipolar entreátomos no cargados. La carga electrónica de un átomo está en movimiento; podemos ima-ginar los electrones como pequeñas gotas cargadas moviéndose alrededor del núcleo comola Luna alrededor de la Tierra. Promediada en el tiempo, la carga electrónica tiene simetríaesférica, pero en un instante dado es asimétrica con respecto al núcleo. Es un efecto similaral que causan las mareas. Esta distribución instantánea de la carga tiene un momento dipo-lar, que induce otro dipolo en un átomo cercano y los dos dipolos se atraen (Figura 4.9).

Los dipolos se atraen de tal forma que su energía varía con 1/r6. Así, la energía aso-ciada a las interacciones de Van der Waals tiene la forma:

(4.5)

Un buen ejemplo es el nitrógeno líquido, que a presión atmosférica se licua a –198 ºC confuerzas de Van der Waals entre las moléculas de N2. La agitación térmica producida cuando el

Figura 4.8 Enlace metálico.

+ + +

+ + +

+

+ + +

+ + +

+

Iones metálicos

“Gas” de electrones “libres”

6

Término de atracción Término de repulsión

( 12)n

A BU n

r r

50 Capítulo 4 Enlace atómico

nitrógeno líquido se vierte en el suelo a temperatura ambiente es mayor que la necesaria pararomper las uniones de Van der Waals, lo que demuestra lo débiles que son este tipo de fuer-zas. Pero sin este tipo de interacciones, la mayoría de los gases no se podrían licuar a tempera-turas alcanzables y no sería posible la separación de los gases industriales de la atmósfera.

Los enlaces de hidrógeno mantienen el agua en fase líquida a temperatura ambiente yunen cadenas poliméricas para dar lugar a polímeros sólidos. El hielo (Figura 4.10) pre-senta enlaces de hidrógeno. Cada átomo de hidrógeno comparte su carga con el átomo deoxígeno más próximo. El hidrógeno tiene un defecto de carga negativa, por lo que está car-gado positivamente, y el oxígeno tiene un exceso de carga negativa, por lo que está cargadonegativamente. La carga positiva del átomo de H actúa como un puente entre los iones deoxígeno vecinos, y por tanto cada molécula de H2O se comporta como un dipolo que atraea otras moléculas de H2O.

Figura 4.9 Interacción de Van der Waals. Los átomos se mantienen juntos por la distribución de la carga en el dipolo.

– + – +

r

Dipolo aleatorio en el primer átomo

Dipolo inducido en el segundo átomo

Figura 4.10 Organización de las moléculas de H2O en el hielo, mostrando los enlaces de hidrógeno. Los enlaces de hidrógeno mantienen las moléculas separadas, y ésta es la razón por la que el hielo tiene menor densidad que el agua.

Átomo de oxígeno

Átomo de hidrógeno

Enlace de hidrógeno

Moléculade H2O

4.4 Estado condensado de la materia 51

4.4 Estado condensado de la materia

Debido a la formación de enlaces primarios y secundarios, la materia puede condensarsedesde el estado gaseoso y dar lugar a líquidos y sólidos. Se pueden identificar cinco dis-tintos estados condensados de la materia que difieren en su estructura y en el tipo deenlace (Tabla 4.1). En los líquidos, los átomos o las moléculas están muy cerca unos deotros, pero pueden deslizar unos respecto a otros; por así decirlo, los enlaces secundariosestán relajados. Por esta razón los líquidos tienen un módulo volumétrico, K, elevado encomparación con el estado gaseoso, y resisten la compresión aunque su módulo de ciza-lla, G, sea cero. Los demás estados de la materia, recogidos en la Tabla 4.1, se distinguenpor el tipo de enlace (relajado frente a fuerte) y por su estructura (cristalina frente a nocristalina). Estas diferencias se reflejan en las magnitudes relativas de su módulo volu-métrico y módulo de cizalla –cuanto más carácter líquido tenga el material, menor serásu relación G/K.

4.5 Fuerzas interatómicas

Una vez que se han establecido los distintos tipos de enlace que pueden existir entre losátomos y la forma de las curvas de energía potencial, U(r), se pueden estudiar las fuerzasexistentes entre los átomos. A partir de la curva U(r) podemos calcular la fuerza, F, entredos átomos situados a una distancia r con la siguiente relación

(4.6)

La Figura 4.11 muestra la forma de la curva fuerza/distancia obtenida a partir de la curvaenergía/distancia aplicando la fórmula anterior. Hay que tener en cuenta las siguientesconsideraciones:

(1) F es cero a la distancia de equilibrio r = r0; sin embargo, si los átomos se separan unadistancia (r – r0) aparece una fuerza que se opone a esa separación. Para distancias(r – r0) pequeñas esa fuerza es proporcional a (r – r0) para todos los materiales, tantoen tracción como en compresión.

Tabla 4.1 Estados condensados de la materia.

Estado Enlaces Módulo

Relajado Fuerte K G y E

1.2.3.4.5.

LíquidosCristales líquidosElastómerosVidriosCristales

*** (secundario) * (primario)

**

AltoAltoAltoAltoAlto

CeroMuy bajoBajo (E « K)Alto (E K)Alto (E K)

d

d

UF

r

Ejemplos 53

y el enlace se comporta de una forma elástica lineal –éste es el origen físico de la leyde Hooke.

Para concluir, el concepto de rigidez de enlace, basado en las curvas energía/distanciapara distintos tipos de enlace, es un largo camino hacia la explicación del origen delmódulo de elasticidad. Antes de poder explicar completamente los datos experimentalesdel módulo es necesario conocer cómo se agrupan los átomos individuales para formarpiezas de materiales. La naturaleza del enlace influye en el empaquetamiento de los áto-mos en los materiales de ingeniería. Éste será el tema del próximo capítulo.

Ejemplos

4.1 La energía potencial U de dos átomos a una distancia r es:

Si los átomos forman una molécula estable con una distancia de enlace de 0,3 nm y unaenergía de –4 eV, calcular A y B. Calcular la fuerza necesaria para romper la molécula, yla separación crítica a la cual la molécula se rompe. Dibujar la curva energía/distancia ydebajo de ella la curva fuerza/distancia apropiada.

Respuestas

A: 7,2 × 10–20 J nm2; B: 9,4 × 10–25 J nm10; Fuerza: 2,39 × 10–9 N a 0,352 nm.

4.2 La energía potencial U de un par de átomos en un sólido puede escribirse como

donde r es la separación entre los átomos, y A, B, m y n son constantes positivas. Indicarel significado de los dos términos de la ecuación.

4.3 La tabla siguiente recoge el modulo de Young, E, el volumen atómico, , y la tempera-tura de fusión, TM, para una serie de metales. Si

(donde k es la constante de Boltzmann y à es una constante), calcular y tabular el valor dela constante à para cada metal. Encontrar una media aritmética de à para estos metales.

Utilice la ecuación, con la media de Ã, para calcular un valor aproximado del módulode Young del (a) diamante y (b) el hielo. Comparar los valores obtenidos con los valores

, 2, 10m n

A BU m n

r r

m n

A BU

r r

MÃkTE

12.2 Caso práctico 1. Diseño elástico: materiales para muelles 157

donde M es la masa del bloque, r la distancia del centro de gravedad del bloque al eje de rota-ción y la velocidad angular. La fuerza neta que el bloque ejerce sobre el borde del embra-gue a máxima velocidad es

(12.6)

donde 2 y 1 son las velocidades angulares a 800 y 600 rpm (la fuerza neta debe ser ceropara 2 = 1, a 600 rpm). La potencia total transmitida viene dada por 4 s Mr ( ) “distancia desplazada por segundo” en la parte interna de la carcasa del embrague a velocidadmáxima, esto es

(12.7)

s es el coeficiente de fricción estática (una constante que depende parcialmente del mate-rial antifricción del embrague) y r viene especificado por el diseño (que no puede ser muygrande). Tanto la potencia como 2 y 1 están definidas en la ecuación (12.7), por lo que Mtambién es conocida; finalmente, la máxima fuerza sobre el muelle se determina por diseñoa partir de F = Mr El requisito de que esa fuerza provoque una flecha de sólo 6,35 mmentre la viga y el revestimiento en contacto es lo que determina el espesor, t, del muelle,según la ecuación (12.1) (l y b están fijados por el diseño).

Materiales metálicos para muelles de embrague

Dadas las dimensiones del muelle (t = 2 mm, b = 50 mm, l = 127 mm) y 6,35 mm,todo ello especificado por diseño, ¿qué material debemos usar? Eliminando F de lasecuaciones (12.1) y (12.4) se tiene

(12.8)

Igual que cuando buscábamos materiales con altos valores de y2/E, ahora debemos

asegurar que el material que elijamos –si tiene las dimensiones especificadas y ha de

Figura 12.3 Muelles de lámina en un embrague centrífugo.

Tambor

Bloque

Muelle

127

120 127

Dimensiones en mm

t = 250

δ��≤�6,35 mm330

Centro de gravedad del bloque

2 22 1M ( )r

2 22 1

2 2s 2 1 2potencia = 4 M ( )r r

21 .

y 32

6 6 6,35 24,7 10

127 127

t

E l

14.2 Mecanismos de propagación de una grieta, 1: desgarro dúctil 183

del material; la grieta ejerce el efecto de concentrar las tensiones. Un análisis matemáticomuestra que la tensión local en el extremo de una grieta aguda en un material elástico es

(14.1)

A medida que uno se aproxima al fondo de la grieta, la tensión local va aumentandohasta que a una distancia ry del fondo de la grieta la tensión alcanza el valor del límite deelasticidad, y, del material, y aparece deformación plástica (Figura 14.2). La distancia ryse puede calcular fácilmente igualando local = y en la ecuación (14.1). Suponiendo query es pequeño comparado con la longitud de la grieta, a, el resultado es

(14.2)

La grieta se propaga cuando K es igual a Kc; la anchura de la zona plástica, ry, viene dadapor la ecuación (14.2) reemplazando K por Kc. Nótese que la zona plástica se contraerápidamente cuando y aumenta: las grietas en los metales blandos tienen una zona plás-tica amplia; la zona plástica en las grietas de los cerámicos duros es pequeña, o no existe.

Incluso cuando se denominan puros, muchos metales contienen pequeñas inclusiones(o partículas) de compuestos químicos formados por reacción entre el metal e impurezas

Figura 14.1 Antes de romperse, este perno de acero sostenía un asiento en el aeropuerto de Milán. Al sentarse alguien, la parte inferior de la sección transversal se somete a tensión generando una grieta que crece por fatiga del metal (Capítulo 17; grieta Nº 1). Cuando alguien se levanta, la parte superior entra en tensión, generando el crecimiento por fatiga de la grieta Nº 2. Finalmente el perno falló por fractura rápida de la mayor de las dos grietas fatigadas. ¡La víctima pudo escapar con el perno fracturado!

Superficiede fractura rápida

Grieta por fatiga Nº 2

Grieta por fatiga Nº 1

local = 2

a

r

2

y 2y

2

2y

2

=2

ar

K

188 Capítulo 14 Micromecanismos de la fractura rápida

14.2 Un bidé cerámico, con un uso normal, falló catastróficamente y causó importantes lace-raciones a la persona afectada. La fractura se inició en una grieta preexistente, de unalongitud 2a = 20 mm, que atravesaba el espesor, localizada en el desagüe circular. Latensión medida en un ensayo realizado con galgas extensométricas en un bidé idénticofue de 0,4 a 1,0 MN m–2 (a tracción) y la tensión residual (por contracción durante lafabricación) fue de 4 MN m–2 (a tracción). El ensayo de una muestra de ese material dioun valor de Kc = 1,3 MN m–3/2. Suponiendo que el agujero introduce un factor de concen-tración local de tensiones de 3, explique el fallo utilizando la mecánica de fractura.

14.3 Explique las siguientes observaciones:

(a) Los metales dúctiles tienen una elevada tenacidad, mientras que los vidrios, los cerá-micos y los polímeros rígidos tienen una tenacidad baja.

(b) Los materiales compuestos reforzados con fibras alineadas tienen una tenacidadmucho mayor cuando la grieta se propaga perpendicular a las fibras que cuando lohace en paralelo a ellas.

14.4 La fotografía adjunta, obtenida por microscopía electrónica de barrido (SEM), muestrauna pequeña parte de la superficie de una fractura por desgarro dúctil. El material es unaaleación de aluminio. Comente las características que observe y relaciónelas con la des-cripción dada en el texto. [Nota: esta superficie de fractura es de la región de fracturarápida del brazo-rodillo roto del Caso Práctico 1 del Capítulo 19.]

400 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches

31.1 Introducción

La posición del acero como materia prima de elección para fabricar los chasis de loscoches se debe, principalmente, a su precio. Siempre ha sido el material más barato quecumple los requisitos de resistencia, rigidez, conformabilidad y soldabilidad para la pro-ducción a gran escala de coches. Hasta hace poco, el hecho de que la densidad del acerofuera dos tercios la del plomo no era importante, pero a medida que los condicionantesambientales y los requerimientos legislativos acerca de las emisiones y la eficiencia delcombustible se han ido endureciendo, esta visión ha cambiado. Los fabricantes de cochesestán buscando alternativas al acero.

31.2 Coches y energía

Se necesita energía para fabricar un coche, y se necesita energía para hacerlo funcionar.La subida de los precios del petróleo significa que, desde 1980, el coste del combustibleconsumido en la vida media de un coche se puede comparar con el coste del coche. Losconsumidores, por tanto, necesitan coches que utilicen el combustible de forma eficientey que contaminen menos.

En la Tabla 31.1 se muestra una visión diferente del problema: el 15% de toda laenergía la consumen coches de uso privado. La dependencia de la mayoría de los paísesde la importación de petróleo supone tal problema que están buscando medios para redu-cirla. El transporte privado es un objetivo atractivo, ya que reducir su consumo no lleva-ría a una depresión de la economía. En Estados Unidos, por ejemplo, la legislaciónemplaza a los fabricantes a aumentar el kilometraje medio de 22,5 a 34,5 millas porgalón,* y en algunas ciudades (como Los Ángeles) se ha impuesto la meta de emisionescero. ¿Cómo podemos conseguirlo?

31.3 Medios para economizar la energía

En la Tabla 31.1 podemos ver con claridad que el contenido energético de un coche –acero,caucho, vidrio y el conjunto de sus procesos de fabricación– es pequeño: menos de unadécima parte de lo que se necesita para moverlo. Esto significa que aquí hay poco quehacer para ahorrar energía; de hecho (como veremos), gastar más energía en fabricar elautomóvil (utilizando, por ejemplo, aluminio en vez de acero) reduce el consumo de com-bustible.

Hay que centrarse, pues, en reducir la energía que se utiliza para mover el coche. Haydos vías:

(a) Mejorar la eficiencia del motor. Los motores son, en la actualidad, extremadamenteeficientes; la economía que se puede alcanzar aquí es limitada, aunque puede ayudar.

* 1 milla = 1609,344 metros; 1 galón = 3,785412 litros.

31.3 Medios para economizar la energía 401

(b) Reducir el peso del coche. La Figura 31.1 muestra la variación del consumo de com-bustible (galones por milla, g.p.m.) y el kilometraje (millas por galón, m.p.g.) con elpeso del coche. Hay una correlación lineal: reduciendo a la mitad el peso se reducen ala mitad los g.p.m. Éste es el motivo por el cual los coches pequeños son mucho máseconómicos que los grandes: el tamaño del motor y las prestaciones tienen algunainfluencia, pero es el peso el que determina el consumo de combustible.

Podemos, entonces, reducir el tamaño de los coches, pero al consumidor no le gusta.O podemos reducir el peso del coche sustituyendo los materiales actuales por otros másligeros. Coches más ligeros no sólo utilizan menos combustible sino que también emitenmenos polución –y de aquí el interés por producir coches más ligeros, invirtiendo la ten-dencia histórica que ha ido en la dirección contraria.

Tabla 31.1 Energía en la fabricación y el uso de automóviles.

Energía para producir coches, por año

Energía para mover coches, por año

Transporte de personas y cosas, total

=

=

=

0,8% a 1,5% del total de la energía consumida por la nación

15% del total de la energía consumida por la nación

24% del total de la energía consumida por la nación

Figura 31.1 Consumo de combustible en la producción de coches.

0,1

0,3

0,2

0,1

20

10

00 1000

Peso del coche (kg)2000 3000

60

40

20

0

0,05

Gal

ones

/mill

a (g

.p.m

.)

Litr

o km

–1

0

Mill

a/ga

lón

(m.p

.g.)

km li

tro–1

km litro–1

o m.p.g.

Litro km–1

o g.p.m

31.5 Materiales alternativos 405

Podemos realizar un análisis similar para la deformación plástica. Un panel de la sec-ción mostrada en la Figura 31.5 cede bajo una carga

(31.5)

La masa del panel es conocida, como antes, por la ecuación (31.2). La única variable es t,que viene dada por

(31.6)

de la ecuación (31.5). Sustituyendo t en la ecuación (31.2) se obtiene

(31.7)

El panel que buscamos es el que tiene el menor valor de .Podemos valorar materiales candidatos de una forma más adecuada con los datos que

se muestran en la Tabla 31.3. Los valores de los dos grupos de propiedades más importan-tes se muestran en las dos últimas columnas. Para la mayoría de los paneles de carrocería(para los que la deflexión elástica determina el diseño) los aceros de alta resistencia noofrecen ventajas respecto a los aceros suaves: tienen el mismo valor de /E1/3. El GFRPes mejor (menor /E1/3 y, por tanto, menor peso), e incluso el aluminio es mejor –ésta esla razón por la que los aviones se hacen de aluminio. Pero nótese que el ahorro de peso alpasar de acero a aluminio no es de un factor 3 (la relación entre densidades) sino sólo de2 (la relación entre sus /E1/3), ya que el panel de aluminio debe ser algo más grueso paracompensar el menor E.

2

y = Cbt

Fl

1/ 2

y

Flt

Cb

1/ 23

1/2y

= Fbl

MC

1/2/ y

Figura 31.5 Cedencia del panel de la carrocería.

bl

σy

t

F

C =23

406 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches

Los aceros de alta resistencia sí ofrecen un ahorro de peso para algunos componentescuya resistencia es limitante: parachoques, panel frontal y trasero, soporte del motor,mamparas y otros; el ahorro de peso es de un factor 1,5. Tanto el aluminio comola fibra de vidrio pueden suponer un ahorro de hasta 3 veces en estos componen-tes. Esto hace posible un ahorro de al menos un 30% del peso del vehículo, y si ademásse utiliza un bloque de motor de aluminio, el ahorro total es aún mayor. Estos ahorros sonsustanciales –suficientes para conseguir una mejora en el kilometraje de 22,5 a 34,5millas por galón, sin disminuir el tamaño del coche ni aumentar la eficiencia del motor.Por ello, en la actualidad se están examinando minuciosamente. ¿Qué otras propiedadesse requieren de los posibles materiales sustitutos?

Propiedades secundarias

Pese a que la resistencia a la deflexión elástica y a la deformación plástica son las másimportantes a la hora de elegir materiales alternativos, hay otras propiedades a tener encuenta. Vamos a verlas sucintamente. En la Tabla 31.4 se listan las propiedades queimponen las condiciones de servicio ambientales.

Las deflexiones elástica y plástica ya las hemos comentado. La tenacidad del acero estan alta que la fractura de un panel de acero rara vez es un problema. ¿Pero qué ocurrecon el resto de los materiales? Los datos de tenacidad los podemos comparar en laTabla 31.5.

¿Cuál es el modo apropiado de considerar los valores de tenacidad? El planteamientomás correcto consiste en suponer que el panel está cargado hasta su límite elástico (por en-cima de esta carga sabemos que empezará el fallo –por flujo plástico, por lo que no im-porta qué otro mecanismo de fallo pudiera aparecer). ¿Cuál es el tamaño de grieta que semantiene estable? Si es lo suficientemente grande como para no aparecer en servicio, serásatisfactorio; si no, debemos aumentar la sección. Este tamaño de grieta (Capítulo 13)se calcula mediante

1/ 2/ y1/ 2/ y

y c ca K EG

Tabla 31.4 Condiciones ambientales de servicio de un coche medio.

Carga EstáticaImpactoImpacto

FatigaEstática prolongada

Deflexión elástica o plásticaDeflexión elástica o plásticaFracturaFractura por fatigaFluencia

Ambiente físico –40 ºC55%

<<

T < 120 ºChumedad relativa < 100%

Ambiente químico AguaAceiteLíquido de frenosLíquido de transmisión

CombustibleAnticongelanteSal

410 Capítulo 31 Caso práctico final: materiales y energía en el diseño de coches

deo presenta algunas ventajas. Permite una gran flexibilidad de diseño –particularmenteen los cambios de sección y detalles agudos– que no se puede conseguir con el acero, ypermite la consolidación en una sola etapa de varios componentes, reduciendo los costesde ensamblado.

31.7 ConclusionesLas conclusiones se presentan en la siguiente tabla.

A. Acero de alta resistencia

A favor En contra

Se emplea la tecnología actual El ahorro de peso sólo se produce en el supuesto de diseño contra flujo plástico

Se usa en algunas aplicaciones concretas, por ejemplo parachoques.

B. Aleaciones de aluminio

A favor En contra

Grandes ahorros de peso tanto en carrocería como en motorSe emplea gran parte de la tecnología actualExcelente resistencia a la corrosión

Coste unitario mayor

Malas propiedades para embutición profunda –pérdida en flexibilidad de diseño

El uso del aluminio permite ahorros de peso de hasta un 40% en el peso total de un coche. Elaumento del coste unitario se compensa por la disminución en el consumo y el mayor potencial dereciclado del aluminio.

C. GFRP

A favor En contra

Gran ahorro de peso en la carroceríaExcelente resistencia a la corrosión

Gran flexibilidad en el diseño y en la consolidación de algunas piezas

Coste unitario mayorGrandes cambios en la tecnología de fabricaciónEn el diseño hay que considerar la fluencia

El uso de GFRP permite ahorros de peso de hasta el 30% en el peso del automóvil, con un ligeroaumento en el coste unitario y con inversiones considerables en los procesos de fabricación. Losproblemas de reciclado todavía están por resolver.