materiales_aeroespaciales

7/30/2019 Materiales_Aeroespaciales

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IDEAS GENERALES SOBRE

MATERIALESAEROESPACIALES


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Materiales Aeronuticos

Los que se utilizan para: Construccin de aeronaves

Construccin de motores (Aeromotores) Equipos de vuelo Instrumentos de Abordo Equipos de Tierra Equipos de comunicacines Otros

Para construccin de aeropuertos Combustibles Lubricantes Grasas especiales Equipos especiales de vuelo (Antihielo)


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Se dividen en dos grandes grupos: Metlicos No metlicos

Satisfacer la condicin de elevada relacin resistencia a peso Alto grado de seguridad

Eleccin de los materiales Cualidades particularesmas solicitadas para la aeronutica: Resistencia Baja densidad Rigidez Satisfactoria homogeneidad Buena Conductividad


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Materiales MetlicosMateriales no Metlicos.


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Eleccin de los materiales Cualidadesparticulares mas solicitadas para la aeronutica:

Dbil fragilidad Templabilidad Tenacidad Resistencia a temperaturas extremas

Resistencia a la abrasin Resistencia al desgaste Resistencia a la corrosin Sensibilidad al efecto de la entalladura


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Materiales que se ajustan a dichascualidades:

Acero Aluminio (Al) Magnesio Aceros Inoxidables Bronce Latn Plsticos Madera Fibra o lana de vidrio


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Acero Aluminio

Magnesio

Acero Inoxidable

Bronce

Latn

Plsticos.

Madera


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Acero Al nquel Cromo molibdeno

Madera Haya Balsa Abeto Fresno

Aleaciones Titanio

Magnesio Manganeso Duraluminio Zicral Alclad


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Aleaciones de Nquel.

Aleaciones de Titanio

Aleaciones de Manganeso

Duralumino Objeto heco de Zicral

Pieza hecha de alclad


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Otros materiales: El estratificado

Vidrio Resina Caucho

Nuevos materiales Berilio Titanio Cermicas Cemets Cerameles nter metlicos Refractarios


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Vidrio

Resinas

Cauchos


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Berilio

Titanio Cermicos

Refractarios

Intermetlicos


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Caractersticas, empleo yfabricacin

Madera: Antiguamente muy utilizada Aeronutica moderna: Relegada a segundo plano

Material orgnico Sometidad a: Podredumbre Comportamiento en compresin 3 veces mas dbil que

la traccin

Buenas caractersticas:

Homogeneidad Encolada para estructuras articuladas y poco rgidas Emparedados (Sndwich) formando parte con otro

material y relleno en nido de abeja.


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Madera muy utilizada en los aviones antiguos

Estructura Honeycomb


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Materiales Metlicos: Se empleansegn su tipo: Estructuras rgidas

Determinadas partes del avin: Lminas delgadas: Formando cuerpos huecos

Aligerar peso Fundamental en aeronutica

En otras partes: Materiales compuesto: En forma de emparedado

Mayor ligereza para igual resistencia


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En general: Se utilizan tratados Templados Recocidos

Transformados Doblados Forjados Labrados a mquina Extrusionados Fundidos Soldados

Estirados Amolados o rectificados Laminados

Remachados Soldados


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Materia templado

Material recocido

Materiales Doblados

Materiales forjados

Material Extrusionado

Materiales fundidos

Materiales soldados

Materiales laminados de goma


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En otras zonas del avin donde se debesoportar grandes esfuerzos se utilizan Vigas

Largueros de las alas Travesaos y montantes Larguerillos

Nudos de resistencia Nervios transversales Diversos entramados


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Largueros de las alas


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ACERO Gran rigidez

Dificultad: Utilizado en pequeos espesores En determinadas secciones y an con mayor

espesor nos dar mas resultado que el Aluminio Aceros Especiales:

Resistencia a la ruptura: 150 Kgf / mm2

Aceros Inoxidables En estructuras Por su alta resistencia Mecnica; por su alta

resistencia a la corrosin y al calor. En paneles Sandwich


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ALUMINIO Las aleaciones mas utilizada en Aeronutica

Poco peso Buenas Caractersticas Mecnicas Templables y dctiles Alta resistencia a la corrosin

Se utiliza capa delgada de aluminio puro: Proteger lminas metlicas 5% del espesor total de dicha lmina

Alecciones ligeras muy importantes: Alclad Zicral

Ambas con resistencia de 60 Kgrf / mm2


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TITANIO Peso ligero y alta resistencia

Mecnica A elevadas temperaturas

Alto costo y tiene un uso limitado en las

estructuras En aviones como B747; DC-10 se emplea

un 10% del total


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MAGNESIO Mas ligero que el Al No tan fuerte Se debe proteger

De atmsferas corrosivas De las llamas

BRONCE Y LATN Poco utilizados en la actualidad Utilizado en:

Soportes Cojinetes Resortes Tensores

MATERIALES PLSTICOS Se utilizan con mucha frecuencia

Poco peso Plsticos acrlicos en:

Carlingas Ventanas Parabrisas


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Soportes de latn

Resorte de Latn

Tensores de latn

Cojinetes de latn

Carlingas hechas de pl

sticos acrlicos


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MATERIALES PLSTICOS Uretanos o plsticos espumosos

Estructuras de aviones ligeros

Plsticos esponjados: Relleno en los sndwich metlicos

PAPEL En forma de sndwich

Absorcin de ruidos

FIBRA DE LANA O VIDRIO. TELA DE VIDRIO YTELA Impregnada con resinas termo estables

En lugares que soportan poca carga Alojamiento del radar Punta del Ala


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UretanosFibra de Vidrio

Papel utilizado en aviones


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CERMICOS Llamados tambin CEMETS, CERAMELES,

INTERMET

LICOS Y REFRAGTARIOS Nacieron:

Estudios realizados para obtener materiales que secomportaran satisfactoriamente tanto en altas y bajastemperaturas; as como tambin tuvieran resistenciametlica.

Produccin: Mezcla de cermicos y metales en polvo

Proceso de Sinterizado.


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Cermicos en el transbordador

Cermicos en polvo.

Proceso de Sinterizado


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FABRICACIN Nuevo mtodo de extrusin

Una sola pieza Sustituye a varias

Ejemplo: Modernos reactores de combate

Extrads

Intrads

Otras partes: Ncleos rellenos de honey-comb

Cubiertos por partes extrusionadas o forjadas


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Piezas ExtruidasPiezas Extruidas en aviones de Combate como el Sukh

Extrados


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MATERIALES QUE SE UTILIZAN EN LA FABRICACIN DEINTRUMENTOS E INSTALACIONES Fuera de las alecciones clsicas se necesitan en:

Instalaciones elctricas y electrnicas Circuitos integrados Computadores Generadores Motores elctricos Microprocesadores Resistencias fijas Rels Conectores Transformadores

Bateras Semiconductores

Condensadores de cermicas de vidrio Diodos de silicio Transistores Inductores Cristales de cuarzo


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Circuitos electrnicos

Microprocesadores

Resistencia Cermica

Bateras de Litio

Cristales de Cuarzo

Motores Elctricos


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MATERIALES QUE SE UTILIZAN EN LA FABRICACIN DEINTRUMENTOS E INSTALACIONES Los que tienen mejor conductividad, permeabilidad magntica, etc. Mejor condiciones elctricas

Mayor resistencia a los esfuerzos ambientales Temperatura, Presin, Humedad, Radiacin, Accin qumica.

Mayor resistencia a: Esfuerzos operativos, Frecuencia, Intensidad de corriente, Potencia, Calor

disipado. En componentes electromecnicos

Rels Actuadores Rotativos Solenoides

Que adems de resistir los esfuerzos elctricos, soportan los esfuerzos mecnicos: Rozamiento Rodadura Vibraciones


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Rels Variados

Actuadotes elctricos

Selenoides


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Problemas de la Construccin

Principales Problemas: Obtener un mnimo de peso en la estructura.

Lo que se ahorra en peso se gana en capacidad de carga til Obtener una mxima sustentacin para una mnima resistencia.

Para altas velocidades los materiales deben enfrentar la barrera del calor Los materiales deben conservar sus caractersticas a altas temperaturas Ejemplo: Aleacciones de Titanio al Manganeso soportan de 300 C a 400 C Ejemplo: Aleacciones al Nquel Nimonic soportan entre 500 C y 600 C

Corrosin Todas las partes metlicas deben protegerse con pintura o capa de metal

anticorrosivo El aluminio: Enteramente corrosivo; las aleacciones de Al tienden a la corrosin;

entonces hay que recubrilas con capas de aluminio puro Chapa Alclad Tres tipos de corrosin del aluminio

Picadura Galvnica Intergranular.


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El transbordador debe soportar la barrera del calor.

Corrosin


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Materiales Astronuticos

INTRODUCCIN Estos materiales deben cumplir los siguientes criterios:

Alta relacin Resistencia-Peso Relativa comodidad y confiabilidad de fabricacin Disponibilidad de lminas y formas Resistencia a elevadas temperaturas Resistencia y ductibilidad a temperaturas bajo cero Resistencia a la erosin Resistencia a la corrosin Caractersticas favorables de envejecimiento Disponibilidad y cantidad cuando se desee Costo nominal

Los diseadores primero consideran la relacin Resistencia-Peso Pero materiales que cumplen este criterio tienen la dificiencia que hacen

imposible su utilizacin: Falta de soldabilidad, incompatibilidad con los propulsantes y el medio ambiente

atmosfrico


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METALES FERREOS Aceros aleados y al carbono

Aceros al carbono El carbono es el elementoprincipal

Tambin pueden tener elementos como: Al, Cr, Ni, Mb,

Tg, Va, Ti (menor cantidad no especfica)

Producir propiedades mecnicas especficas Podran contener: 1.65% Mg, 0.6% Si, 0.60% Cu

Cuando se le aaden cantidades especficas de

elementos Producir propiedades deseadas en el acero


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Aceros Aleados

Aceros al Carbono


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METALES FERREOS Aceros aleados y al carbono

Aceros al carbono El carbono es el elementoprincipal

Contenidos de Cu, Si, Mg > que en los aceros al carbono

Al, Cr > al 3.99%

La dureza de la superficie depende del contenido decarbono del acero

Grado de endurecimiento depende de : Tamao del

grano, de otros factores.


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METALES FERREOS Aceros de Alta Resistencia y Baja Aleacin

Desarrollados para mantenimiento y estructurales

Bajo costo (Alta resistencia y buenas caractersticas defabricacin)

Se fortalecen con pequeas cantidades de. Ni, Cr, Cu, Mo, otros.

Bajo contenido de C ( 0.1%


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Acero de alta resistencia

Brocas de acero de alta resistencia


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METALES FERREOS Aceros Inoxidables

Se clasifican en: Ferrticos, Martensticos, Austenticos Aceros Inoxidables Austenticos

No ferromagnticos Contienen Ni, Cr como elementos principales de aleaccin Ligeramente magnticos: Cuando se trabajan en fro Se endurecen en el trabajo: Altamente resistentes al

impacto Mejor resistencia a altas temperaturas Fciles de soldar Mejor resistencia a la corrosin y mejor ductibilidad a baja

temperatura que los ferrticos y los martensticos


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Acero inoxidable Ferrtico

Acero Inoxidable Martenstico

Acero Inoxidable Austentico


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METALES FERREOS Aceros Inoxidables

Aceros Inoxidables Martensticos Endurecidos por tratamiento trmico

Aceros de Cromo Puro Son ferromagnticos Razonable resistencia a la corrosin Son fcilmente soldables: Tomar precaucin con soldaduras quebradizas

Aceros Inoxidables Ferrticos Aceros de Cromo Puro No pueden ser endurecidos por tratamiento trmico Son ferromagnticos Tienen mejor resistencia a la corrosin que los martensticos Pueden ser trabajados en fro o caliente Mejor resistencia a elevadas temperaturas que los martenstcos Buena soldabilidad: Tomar precaucin especial para evitar soldaduras

quebradizas.


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METALES FERREOS Aceros inoxidables Endurecidos por Precipitacin (PH)

Basados en los tipos 18-8 Se les aade Cu, Be, Al, Ti

Dar caractersticas de endurecimiento por precipitacin A otros se les aade Cr y Ni Muchas ventajas en la utilizacin de los aceros PH para la estructura

de Vehculos Espaciales Donde se desea una elevada resistencia Resistencia a la corrosin Procesos de fabricacin simples

Tratamiento trmico a bajas temperaturas Minimizan deformaciones, escaleo, tratamientos costosos con calor La mayora tienen razonable buena resistencia a elevadas

temperaturas as como estabilidad. Limitado servicio a temperaturas


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METALES FERREOS Aceros Especiales (Aplicaciones para carcasas de Motor Cohete)

Aceros inoxidables rolados en fro Aceros de herramientas Aceros endurecidos por precipitacin

Ejemplos: Acero inoxidable tipo 301: En laminas delgadas Carcasas de motores

Varios mtodos de unin:Puntos de resilienciaSoldadura de sellado o soldadura de fusin

Acero inoxidable de endurecimiento por precipitacin

Endurecimiento por envejecimiento: Obtener estructuras demayor relacin resistencia-pesoAceros como 17-7 PH; AM-350, A-286: Para carcasas de

gran tamao


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Chapa de Aceros Especiales

Acero Inoxidable tipo 3001


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Ejemplos: Aceros para herramientas: El tipo mas

utilizado 5% Cr (Lmina) de los cuales hay muchos

Aceros de media aleacin: Como 4340, 4630,4140(Modificado) Para carcasas de motores detodos los tamaos.


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METALES NO FERREOS Aleaciones de Aluminio

Aleaciones de Aluminio forjado

Contienen mas de un elemento aadido e impurezas (7% a 8%9 Aleaciones con tratamiento al calor Mas alta resistencia

Para aviones, Para estructuras de vehculos espaciales Poca soldabilidad comparada con aleaciones de no tratamiento

trmico Estructuras que utilizan aleaciones de tratamiento trmico y de

alta resistenciaRemachadas

Se han utilizado en estructuras soldadas Recipientes a presin Se han desarrollado de varias alecciones nuevas de Mg-AL

5086, 5456, 5083 Alta eficiencia de soldabilidad como ductibilidad. La soldadura de arco bajo atmsfera de gas inerte Para

recipientes a presin.


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Aleaciones de Aluminio

Aleaciones de aluminio forjado

Remaches

Piezas de Aluminio 5086


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Aleaciones de Aluminio forjado Tambin pueden ser unidas por soldadura por gas, soldadura por arco, soldadura por

puntos

Aleaciones de Aluminio fundido Desarrolladas para aplicaciones especficas Pocas son utilizadas como aleaciones de propsito general

Utensilios de cocina Anaqueles Mltiples Housing Engranajes

Para componentes de Vehculos Espaciales o aviones A 355 A 356 Tens-50

Tratados Trmicamente


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Pieza Aluminio A355

Pieza en Aluminio A356

Rplica de un porche en Aluminio A356


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Aleaciones de Aluminio fundido Aleaciones de Magnesio

El Mg Metal estructural comn mas liviano Gravedad especfica= 1,74 Gravedad especfica del Al = 2.7 Gravedad especfica del Acero = 8

Tiene alta conductividad trmica y baja resistencia elctrica No txico No magntico

En una gran variedad de formas: Extrusiones Fundiciones Lminas Listones Tubos


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Piezas fabricadas de aleccin de Magnesio y Aluminio

Variedad de Presentaciones del Magnesio


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METALES NO FERREOS Aleaciones de Magnesio

La fundicin es ampliamente utilizada en aplicaciones en aeronaves Peso ligero Alta resistencia Buena resistencia al impacto

Peso ligero: Justificacin principal para considerar el Mg en aplicaciones estructurales Fuerte tendencia a la corrosin Aleaciones de Mg-Li: Materiales para aviones de poco peso

Densidad = 1.4 gr. / cm3

Desventajas: Pobre resistencia a la corrosin y relativa baja resistencia

Aleaciones de Cobre-Cobre Disponible en muchas formas Se aplican en requerimientos especficos:

Conductividad trmica y elctrica Resistencia a la corrosin Ductibilidad o dendsidad.

Elementos de aleacin mas comunes para el Cu Zinc (Zc) Plomo (Pb) Estao


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Aleaciones de Cobre

Aleacin de Cobre Zing

Aleacin Cobre-Plomo

Aleacin de Cobre Estao


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METALES NO FERREOS Aleaciones de Cobre - Cobre

Los materiales aleados Latones o bronces

Para los cupronqueles y aleaciones de Plata-Nquel Se utiliza el Ni.

Aleaciones de Nquel Nquel Muy numerosas Aleaciones principales estn formadas con:

Cobre (Cu) Hierro (Fe)

Cromo (Cr) Aluminio (Al) Zinc (Zn) y Cobre (Cu) Estao y Cobre (Cu) Manganeso (Mn) Molibdeno (Mo)


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Aleacin Cobre Cobre

Pieza Plata Nquel

Aleacin de Nquel Nquel


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METALES NO FERREOS Aleaciones de Nquel Nquel

Usos generales de aleaciones Ni-Ni

Nquel puro (99.0% o mas puro) Anodos, acuados, aleaciones Ni y Cu Acuado, aleaciones no magnticas, aleaciones de resistencia elctrica. Ni y Fe Aceros de bajo contenido de Ni, aleaciones de compensacin de

temperatura, aleaciones de alta permeabilidad, aleaciones de baja expansin Ni y Cr Aleaciones para resistencia elctrica Ni y Al Aleaciones de baja expansin, aleaciones de cojinetes, aleaciones de

pistones de automviles Ni, Cr, Fe Aceros resistentes al calor e inoxidables Ni, Cu, Zn, Estao Aleaciones de Plata-Nquel, de bronces y latones

Tienen excelente resistencia y ductibilidad tanto a altas y bajas temperaturas Altos porcentajes de Ni: En Sper aleaciones para aplicaciones Criognicas


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METALES NO FERREOS

Aleaciones de Titanio Titanio

Encontrados en extensas aplicaciones

Metales estructurales que soportan altas temperaturas, poco peso y altaresistencia, especialmente en aviones

Tiene excelente resistencia a la corrosin Agua salada y a la atmosfrica

Buena soldabilidad para la mayora de las aleaciones Alfa y Alfa-Beta Evitar absorcin de O2,H2, N2

Aleaciones tipo beta Endurecibles con el tiempo Permite flexibilidad en las tcnicas de fabricacin.

Aleaciones por tener estructura hexagonal No recomendadas para temperaturas criognicas (Por debajo del cero

absoluto) Algunas aleaciones tienen propiedades excelentes a bajas temperaturas


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Aleacin de Titanio Titanio

El Titanio es el alma de los Aviones


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METALES NO FERREOS

Berilio Con propiedades fsicas y mecnicas que lo hacen un material atractivo para

aplicaciones como. Sumideros de calor (Disipadores de calor)

Ambientes de alta temperatura Componentes de sistemas de guiado rolados, forjados o extruidos

Requieren excelente estabilidad dimensional, alta conductividad trmica, muy bajaexpansin trmica, y una emisividad moderada al infrarrojo.

Moderador de neutrones y un reflector en lo reactores nucleares Puede ser soldado normalmente o con plata La soldadura de fusin con arco de Tungsteno bajo gas inerte (TIG) es posible

pero necesita una soldadura fuerte para vencer la sensibilidad a la entalladuradel metal. Pobre resistencia a la corrosin qumica en soluciones alcalinas y cidas Tiene buena resistencia a la oxidacin arriba de los 600 C Las aleaciones de Be Cu son consideradas como aleaciones de cobre.

Pieza de Berilio para disipar el calor en parlante y obtener una reproduccin mas fiable


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p p p y p

Formas comunes del Berilio en la Naturaleza.


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METALES NO FERREOS

Metales Preciosos

En forma pura: No tienen aplicaciones significativas comomateriales estructurales Aplicaciones importantes

Materiales de soldadura Sellos al vaco Sistemas electrnicos

Con excepcin del Paladio, la impermeabilidad de los metales

preciosos es alta. La Plata y el Oro: Materiales importantes para la operacin de

cojinetes bajo condiciones ambientales espaciales Los materiales de soldadura que contienen metales preciosos:


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Disco de oro en el voyager

Cassini recubierto por tela de Oro

Cojinetes de oro


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METALES NOFERREOS

Metales Preciosos Los materiales de

soldadura quecontienen metalespreciosos:

55080 Au, 20 In

779 (AleacinAuttica)

72 Au, 28 Cu

95082 Au, 18 Ni

960100 Ag

108273 Ag, 27 Pt

1773100 Pt

Temperaturade Fusin, C

Material


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METALES NO FERREOS

Metales Preciosos La plata (Ag) es de extrema importancia en los sistemas

electrnicos Excelente conductividad trmica: 0.999 cal / (Cm2)(Cm /s)(C) Baja resistividad elctrica

1.5 X 10-6 ohm / cm Las superficies de oro depositado al vapor o pulidas

Reflejan casi el 100% de la energa del infrarrojo Algunos metales preciosos: Utilizados como filtros para

longitudes de ondas especficas Cuando se depositan en forma de vapor en capas muy delgadas


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METALES NO FERREOS

Metales Refractarios Puntos de fusin 1150 C Tienden a oxidarse a temperaturas elevadas No es problema en el vaci del espacio y pueden ser revestidos

exitosamente para servicio limitado a alta temperatura en la atmsferaterrestre

Su baja presin de vapor y su alta resistencia a elevadas temperaturaslos hacen excelentes materiales estructurales para elevadastemperaturas en el ambiente terrestre o espacial.

No estn sujetos al deterioro por radiacin nuclear en aplicacionesespaciales bajo radiacin solar y csmica. El Tungsteno tiene excelentes propiedades aisladoras para la radiacin

gamma


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METALES NO FERREOS

Metales Refractarios Estos pueden ser soldados por arco de Helio, arco de Argn, soldadura

por flujo de electrones. La soldadura por flujo de electrones da excelentes resultados debido a la

pequea zona afectada por el calor. Por su alta resistencia son materiales prcticos para escudos contra la

erosin de polvo meteortico.

METALES PARA EL SERVICIO A ALTA TEMPERATURA No se considera un solo metal de alto punto de fusin Un metal de alto punto de fusin no permite una fcil fabricacin

Tienen altas densidades Algunos son quebradizos Otro tienen pobre resistencia a la oxidacin


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Piezas fabricadas con metales refractarios


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METALES PARA EL SERVICIO A ALTATEMPERATURA

Se han desarrollado principalmente para aplicacionesparticulares (Aleaciones)

Estas aleaciones normalmente contienen altos porcentajesde Cromo (Cr), Nquel (Ni), Cobalto (Co), Molibdeno (Mo?),Columbio (Cl?), Titanio (Ti) y Tungsteno (Tg)

Aleaciones de Ni y Co para motores de calor. Las Sper Aleaciones se utilizan para el servicio a elevada

temperatura de 1200 K (648.888 C)


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METALES PARA SERVICIO DE BAJA TEMPERATURA Aplicaciones asociadas con una de las tres situaciones:

Condiciones de clima rtico Operacin de alta altitud ( > 10 millas) Uso de gases licuados como refrigerantes o propulsantes de cohetes

Igual que para aplicaciones de alta temperatura, se deben hacerconsideraciones especiales para seleccionar materiales para estructuras abaja temperatura

Sujetos a temperaturas bajo cero que permanecen dctiles tienen unacaracterstica en comn:

Una red cbica de cara centrada Aluminio Cobre

Nquel Plomo Oro Paladio Platino Rodio Plata


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METALES PARA SERVICIO DE BAJATEMPERATURA

El diseo para bajas temperaturas tiene lossiguientes factores La tensin y el esfuerzo mximo Porcentajes de tensin Temperatura de transicin del metal Ductibilidad del metal base, as como su soldabilidad Sencibilidad del material a la entalladura Estructura cristalina, grano, tamao


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NO METALICOS

Compuestos Refractarios y Cermicos

Materiales refractarios para altas temperaturas (Resistentes a laoxidacin por encima de los 1100 C )

xidos Carburos Nitruros Silicatos Boros

Berilio Alumnidos Zirconios Germnidos Cromos

Los materiales refractarios se caracterizan por su alto punto de fusin


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Materiales Cermicos

Fibras Cermicas


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NO METALICOS

Compuestos Refractarios y Cermicos La dureza de estos materiales se asocia a que son Quebradizos En algunas Cermicas el dao por irradiacin se puede remediar con

tratamientos de calor Para aplicaciones Astronuticas es de inters particular las propiedades

dielctricas de los xidos de la cermica. Materiales dielctricos orgnicos son confiables para exposiciones largas en el Medio

Ambiente Espacial.

Grafito Asociado en forma natural A minas de diamantes y carbn Sinttico Fabricados del coque del petrleo, negro de humo o coque dealquitrn

Mas fuertes que el grafito natural por el control de las impurezas Utilizado principalmente como material no estructural de alta temperatura

Componentes del sistema de control del vector Insertos de la toberas de cohetes de propulsante slido


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Lminas de Grafito

En las toberas se inserta grafito

Disposicin del grafito en una estructura


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NO METALICOS Grafito

Utilizado como un lubricante slido No es til para el ambienteespacial

No recomendado como material estructural a no ser que se incluyanrefuerzos Por tener alto coeficiente de conductividad trmica y bajo coeficiente

de expansin trmica, tiene una excelente Resistencia al ChoqueTrmico

Esta propiedad no es constante para todos los grados del grafito Factores que controlan la Resistencia al Choque Trmico

Inclusiones de materiales extraos Variaciones en la densidad y tamao del grano Geometra de la pieza

En general las formas del grafito de espesor constante muestran bajatendencia hacia el choque trmico

Formas entalladas o irregulares exhiben buenas tendencias al ChoqueTrmico


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NO METALICOS Grafito

Resistencia al Choque Trmico del grafito de grano medio(0.030 pulgadas a 0.040 pulgadas) y de densidad media (1.55

grs. / cm3 a 1.65 grs. / cm3) Superior que todos los otros grados del grafito Comparable con aquellos materiales refractarios cuando se utiliza

con el diseo apropiado Diseos apropiados e inapropiados en grafito donde se

necesita Resistencia al Choque Trmico se muestra en lafigura 3.8

La mayor desventaja para aplicaciones de alta temperatura Sus esfuerzos internos se incrementan con temperaturas de

aproximadamente 500 F. Hay muchos grados de grafito y cada uno muestra sus ventajas

sobre los otros para aplicaciones comerciales


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NO METALICOS

Grafito Para Vehculos Espaciales se recomienda el grafito de base de coque

del petrleo rea de desarrollo del procesamiento del grafito Lminas para revestimiento Grafito recocido bajo presin Grafito sinttico producido por coque del petrleo altamente refinado Grafito piroltico

Superiores a los grafitos comerciales

El revestimiento de grafito laminado es realizado por gratificaci

n omateriales orgnicos sintticos grafito puro en forma de revestimientoo lmina

Laminas pegadas por una resina orgnica u inorgnica La resistencia con resina orgnica a la flexin es 3 veces mayor que con el

grafito moldeado o extrudo


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NO METALICOS

Grafito El revestimiento de grafito laminado es realizado por gratificacin o materiales

orgnicos sintticos grafito puro en forma de revestimiento o lmina Laminas pegadas por una resina orgnica u inorgnica

El revestimiento por grafito laminado se comporta con buenas propiedadesaisladoras para exposiciones de corto tiempo Buen sumidero de calor

La pirlisis de la resina orgnica causa el descascaramiento del material Grafito cocido bajo alta presin y alta temperatura produce grafitacin en cortos

periodos de tiempo Limitacin principal: Tamao en el cual puede ser fabricado No se ha establecido el choque trmico

El grafito piroltico es un material nico que tiene dos limitaciones importantes: Propiedades y capacidades no se conocen completamente y en algunos casos no se

entienden No puede producirse en espesores de lmina > 1 pulgada (2.54 cm) Por su estructura molecular se puede utilizar en sumideros de calor dependiendo de la

orientacin del grano en la aplicacin


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NO METALICOS

Grafito El diseo de componentes de grafito que se conectan con otros materiales

(metlicos y no metlicos) debe considerar el coeficiente de expansin El del grafito en la mayora de los casos es inferior al del metal

Gomas y Plsticos Gomas

Fuera del caucho natural hay varios tipos de cauchos sintticos Desarrollados para reemplazar el caucho natural Segunda Guerra Mundial

Cauchos sintticos: Se pueden clasificar en 4 grupos: No resistentes al aceite: Estireno, Butadieno, Butil Resistentes al aceite: Nitrilo, Poli sulfuro, Neopreno Resistentes a las altas temperaturas: Silicona, Acrlico Especializados: Hypaln, Uretano, Fluroelastmeros


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Pieza hecha de neopreno

Hypaln

Butadieno-Estireno


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NO METALICOS

Gomas y Plsticos Gomas

Cada uno de los cauchos sintticos tienen propiedades que los distinguen El diseador debe mantenerse informado de los diferentes tipos

disponibles y sus propiedades generales.

Plsticos Gran variedad de materiales polimricos y gran variedad de formulaciones

de un plstico dado En la actualidad se utilizan plsticos reforzados La baja conductividad trmica de los plsticos reforzados y su capacidad

de bloquear el calor a travs de la auto degradacin (Ablacin) Permiten su utilizacin en el aislamiento de los cuerpos a la re-

entrada de la atmsfera, tobera de cohetes, dispositivos de controldel vector de empuje y otras aplicaciones

% de calor: 100 Btu / ft2 sec


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NO METALICOS

Gomas y Plsticos Plsticos

Prcticamente cualquier plstico reforzado para aplicacin estructuralpuede utilizarse para este propsito; algunos mejores que otros La efectividad de la aplicacin es funcin del ambiente trmico Los fenlicos son las mejores resinas Las resinas de formal aldehdos fenlicas son las mas utilizadas en esta

aplicacin Generalmente las resinas utilizadas para altas temperaturas son las

empleadas para la aplicacin de la ABLACIN

Tanto los plsticos como los cauchos son utilizados para sellos,empaquetaduras, empaques. El ingeniero de cohetes tiene el problema de:

La compatibilidad qumica de su sello con los combustibles.

Efectos Ambientales en los


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Efectos Ambientales en losMateriales Aeroespaciales

INTRODUCCION

Para seleccionar un material Considerar propiedades Fsicas yMecnicas

Sinembargo hay otros factores Compatibilidad del material con sumedio ambiente, capacidad para mantener las propiedades dediseo; determinan la seleccin final

Componentes ambientales con los cuales el diseador se enfrenta: Corrosin atmosfrica Compatibilidad con combustibles y oxidantes Temperaturas Envejecimiento

Cuando se disea para el espacio se confrontan nuevos problemasde diseo

Basados en el medio ambiente espacial.



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EFECTOS ATMOSFRICOS Corrosin

El deterioro de un metal por la reaccin con su medioambiente se manifiesta por:

Empaamiento o ataque general con perforacionesocasionales

Ataque localizado con pitting ( Formacin de bolsas deproductos de la corrosin en la superficie de un metal)

Grietas Remocin de un constituyente de una aleacin

Puede ocurrir: Por reaccin qumica directa,Mecanismo electroqumico.



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EFECTOS ATMOSFRICOS

Corrosin Factores que influyen en el porcentaje de corrosin

Actividad del Ion Hidrgeno Concentracin de Oxgeno Concentracin y naturaleza de otros iones presentes Formacin de pelcula protectora Temperatura Esfuerzos cclicos o estticos involucrados Porcentaje de flujo del medio ambiente en contacto con el metal Contacto con metales diferentes Configuracin exacta de la superficie del metal, existencia de bolsas o hendiduras

No todos estos factores se involucran a la vez Solamente 1 o 2 son dominantes para la corrosin ltima Para la astronutica la importancia de considerar la corrosin est en:

Factores de seguridad Alta confiabilidad Uso a gran escala de aleaciones activas y ligeras

Titanio, Aluminio, Magnesio



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EFECTOS ATMOSFRICOS

Corrosin La mayor parte de Aleaciones de Aluminio forman una pel cula de xido

protector resistente a la corrosin atmosfrica normal Marina Metales no similares

Metales no similares estn definidos por la Military Standard MS 33586 (AS6) Cuando se unen metales no similares hay que suministrar Proteccin contra la

corrosin: Pinturas u otros tratamientos. Aleaciones de Magnesio son completamente susceptibles a la corrosin en

muchos ambientes atmosfricos Mtodo mas efectivo de proteccin

Tratamiento qumico til con un sistema de pintura resistente a los productos

alcalinos de la corrosin del Magnesio Tratamientos con especificaciones militares:

MIL-M-3171A Ampliamente utilizado

HAE (MIL-C-1335) Proceso preferido

Anodizado DOW # 17



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EFECTOS ATMOSFRICOS

Corrosin Ciertas aleaciones de Aluminio: 5052, 5056, 6053, 5061, 6063, se pueden utilizar

en contacto directo con el Magnesio (Arandelas, Remaches y otros sujetadores) Sujetadores de acero deberan ser la Cadmio (Cd) Zinc (Zn)

Temperatura El calentamiento aerodinmico que es el problema en el ascenso y re-entrada de

un vehculo aeroespacial en una atmsfera planetaria En el ascenso la nave debe estar protegida por revestimientos aisladores que pueden

ser materiales orgnicos o cermicos En la re-entrada se encuentra el problema mas severo y se utilizan varias tcnicas para

solucionarlo Ablacin Sumidero de Calor Aisladores Cermicos Enfriamiento por transpiracin

La aplicacin determina la tcnicaTcnica deseable: La mas simple y efectiva



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EFECTOS ATMOSFRICOS

Temperatura El equilibrio de temperatura de la Superficie de un satlite depende

principalmente de la relacin entre la absorbicidad solar y la emisividad de la

longitud de onda larga de su superficie (/) La absorbicidad y la emisividad se puede modificar; modificando el acabado superficialde un metal

Sandblastig (Bao con arena a presin) Polishing (Abrillantado) Depositando xidos refractarios esparcidos con llama y partculas metlicas

depositadas al vapor Revestimientos semi-orgnicos y revestimientos orgnicos pigmentados

Desventaja de superficies pintadas: Susceptibilidad de losmateriales polimricos al deterioro por Radiacin Ultravioleta.

Alternativa: Aadir absorbentes protectores del ultravioleta a lapintura para que la disipe (a la radiacin ultravioleta) comocalor de radiacin.

Disponibles comercialmente



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EFECTOS QUMICOS

Buscar compatibilidad entre el material y el combustible lquido del cohete Podra contaminar el combustible Podra daarse el material

Verificar experimentalmente la compatibilidad de todos los materiales involucradosque se utilizarn en los vehculos espaciales

Dos mtodos principales para determinar compatibilidad qumica de los materiales deIngeniera con los propulsantes

Inmersin de muestras del material en el propulsante lquido Inmersin en el vapor del mismo

Pruebas de la sensibilidad al impacto para propulsantes que pueden formar mezclassensibles al choque en contacto con los materiales

Mayora de estas pruebas aplican al oxgeno lquido

Materiales compatibles con los propulsantes. Estos materiales no se deben utilizar en todos los casos Hay materiales que se recomiendan simplemente con su compatibilidad qumica

La seleccin final de un material est determinado por las condiciones de serviciosparticulares

Propiedades fsicas y mecnicas deseadas



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ectos b e ta es e osMateriales Aeroespaciales

EFECTOS DEL MEDIO AMBIENTE ESPACIAL

El vaco Evaporacin: El vaco afecta a los materiales en dos formas

Evaporacin del material o un componente voltil del material Remocin de la capa de gas en la superficie del material

Desgasificacin La evaporacin de uno o mas componentes del material causa cambios de las

propiedades fsicas y mecnicas del mismo Remocin de la capa superficial de gas: Afecta principalmente la friccin, la fatiga y la

ruptura por cizalladura. En un sistema cerrado y a cualquier temperatura por debajo de la temperatura cr tica, la

molculas constantemente dejan y retornan a la superficie de un l quido o un slido; selogra un equilibrio: el mismo nmero de molculas que salen es igual al nmero demolculas que retornan a la superficie

La fase de vapor saturado que est en equilibrio con la superficie del slido olquido ejerce una presin finita; esta propiedad que la poseen todos los l quidosy slidos se llama PRESIN DE VAPOR DEL MATERIAL.



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ectos b e ta es e osMateriales Aeroespaciales


El vaco La evaporacin de uno o mas componentes del material causa

cambios de las propiedades fsicas y mecnicas del mismo Un lquido o slido que no est contenido en un sistema cerrado y

est expuesto a un medio ambiente del vaco de 10-5 mmHg(1.316X10-7 atm = 1.33X10-2 Pa = 1.9X10-6 psi) o menos, lamolculas que escapan de la superficie tienen una probabilidadnula de que regresen a la superficie

Cualquier material expuesto al vaco exterior de la atmsfera seevaporar

La evaporacin depende de la temperatura, condicionessuperficiales y el calor latente de evaporacin



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Materiales Aeroespaciales


El vaco La rata de evaporacin de un material puro se puede calcular con:

G = (M/T) (P/17.14) G = Rata de evaporacin; g / (cm

2)(s) M = Peso molecular T = Temperatura absoluta, K P = Presin de vapor, mmHg a la temperatura T Si tenemos datos de la presin de vapor de una sustancia pura; se puede

calcular el porcentaje de evaporacin en el espacio. El porcentaje de evaporacin de la mayora de los metales no es un problema

significativo si la temperatura se mantiene por debajo de 300 F (148.8888 C) El cadmio (Cd) y el Zinc (Zn) se evaporan por debajo de esa temperatura Los polmeros densos ( Peso molecular mayor que 10,000) tienen bajas

presiones de vapor y por lo tanto una baja rata de evaporacin en el vaco; sedegradan por la ruptura de la cadena en fragmentos mas pequeos.

El tefln es uno de los materiales orgnicos mas estables en el vaco atemperaturas superiores de 100 C



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El vaco

Por ejemplo el Polietileno Plastificado pierde el plastificador enel vaco y se vuelve quebradizo

Por ejemplo el Vitn A se deteriora significativamente a unapresin de 1X10-5 mmHg y temperatura ambiente

El Neopreno es exitoso en sistemas de vaco para ellaboratorio

El Mylar tiene buenas propiedades a baja temperatura y esatractivo para aplicaciones espaciales

Pierde su flexibilidad a presiones de 1X10-6 mmHg y temperaturaambiente; y a esta presin y a 100 C la pelcula se deforma, searruga y pierde peso considerablemente.



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El vaco La lubricacin es el problema mas apremiante del vaco del espacio tal

como partes mviles intermitentes como las vlvulas Problemas severos de friccin Tendencia de los materialesorgnicos a evaporarsen y a la falta de una capa de gas absorbente opelcula hmeda en la superficie de los cojinetes.

Debido a la alta presin de vapor del petrleo comn y de loslubricantes sintticos; estos se evaporan rpidamente en el espaciocausando la soldadura de las superficies de los cojinetes

El lubricante slido mas comn es el grafito que es ineficaz en el vaco

del espacio ya que all no hay humedad ni pelcula de aire en lasuperficie de las hojuelas (escamas) del grafito; convirtindose en unabrasivo en el vaco.



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El vaco El Bisulfuro de Tungsteno y bisulfuro de Molibdeno son buenos lubricantes en el vaco Otro mtodo para suministrar una baja friccin en los rodamientos y otros dispositivos de

deslizamiento para aplicaciones espaciales es la seleccin de una combinacin ptima de

material sin lubricantes adicionales para cargas pequeas Metales preciosos y cermicas importantes para rodamientos de bolas Bolas revestidas de plata Bolas de Zafiro Bolas de carburo de tungsteno Bolas de carburo de titanio

Parmetros crticos para la lubricacin en el espacio Espesor de la pelcula Acabado superficial

La fatiga: Afecta la vida de la mayora de los metales que forman xidos

Temperaturas Extremas El calentamiento y el enfriamiento repetitivo de un ingenio espacial: Puede causar fatiga cclica

del material Se controla con dispositivos de control de temperatura y haciendo un buen dise o



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Radiacin Se resume como:

Radiacin solar Radiacin csmica Ambas son el resultado de fuentes de energa nuclear

Radiacin solar Radiacin ultravioleta (0.32 a 75) Radiacin infrarroja (0.6 a 200) Radiacin en rayos X Radiacin gamma La radiacin ultravioleta es la mas destructiva para los materiales La radiacin infrarroja (calor) se puede controlar aplicando

revestimientos especiales o superficies reflectivas especiales La radiacin de rayos X pueden tener la suficiente energa para

inducir ionizacin o desplazamiento atmico



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Radiacin Se resume como:

Radiacin csmica: Consiste principalmente de Protones (80%) Partculas alfa (19%) Ncleos pesados de electrones (1%) La energa de la radiacin csmica es de 108 a 1012 electrn voltios (eV) y mas

Con respecto a los Reactores Nucleares la radiacin resultante es de 3 tipos: Neutrones rpidos Energa > 105 eV Neutrones trmicos 0.25 eV


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Radiacin Metales y Alecciones

El dao puede ocurrir por: Posicin vacante en la red (Cristalografa: Punto de la red cristalina donde falta un tomo) donde

se desplazan tomos intersticiales dentro de la estructura Puntos calientes en zonas circundantes de miles de tomos calentados a 100 K Se pueden inducir tomos impuros que afectan las propiedades fsicas

Variables que gobiernan los daos por radiacin Temperatura de radiacin Punto de fusin del metal que est siendo irradiado Estructura cristalina del metal Historia trmica y mecnica del metal El flujo de neutrones El medio ambiente de la radiacin La propiedad que se estudia

Los metales en general son resistentes a la radiacin La densidad disminuye insignificantemente: 0.1% al 0.2% No se afectan las propiedades trmicas

Se afectan las propiedades magnticas como la permeabilidad Ejemplo de materiales que cambian estructuralmente: Hojalata: Cambia de blanco a girs, Fsforo negro:Cambia a forma roja

Incrementan su dureza Se incrementa la resistividad elctrica a temperaturas criognicas (20 K = -253,15 C) En general el tamao del grano es inalterado por la radiacin

Excepcin: El Cobre y el Nquel incrementan el tamao del grano despus de la radiacin de 250C y 300 C



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Radiacin Materiales Orgnicos

Altamente susceptibles al dao por radiacin Estos no tienen una estructura molecular definida

Estos pueden ser destruidos y no son capaz de restablecerse

El dao por radiacin ocurre por dos formas: Con ncleos Interaccin con electrones orbitales

Si es eyectado un ion cargado positivamente y un electrn libre La energa del bombardeo puede elevar al electrn a un nivel de energa

superior Excitacin La remocin de un electrn rompe la estabilidad de una molcula genera

especies inestables formando nuevas estructuras Los polmeros pueden degradarse al reducir su peso molecular, incrementar la

presi

n de vapor, incrementar la viscosidad y disminuir la resistencia mec

nica La cristanilidad en los polmeros como Nylon, Polyethyleno, y el Tefln sedestruye por radiacin

Los lubricantes: Afectados seriamente a la exposicin a la irradiacin departculas

Se notan en bajas exposiciones tan bajas como 107 r (roentgens) especialmente en 108 ra 109 r



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Radiacin Materiales Orgnicos

Los lubricantes: Afectados seriamente a la exposicin a la irradiacin departculas

Los efectos son como siguen: La viscosidad disminuye Se aumenta la tendencia a la formacin de espuma Se aumenta la tendencia a la coccin Temperatura de ignicin disminuye La acidez se incrementa La volatilidad se incrementa La estabilidad a la oxidacin disminuye

Materiales Inorgnicos Resistentes a la radiacin Ciertas propiedades pueden ser cambiadas

Materiales cristalinos pueden volverse opacos Material de aisladores elctricos se pueden volver parcialmente conductivos Materiales cermicos no afectados seriamente



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Sputtering Remocin de tomos de una superficie slida por bombardeo de la superficie con tomos o iones

que tienen energa cintica de unos cuantos eV o ms En el espacio causado por la Radiacin Solar y por la colisin de una nave espacial con tomos del

gas interplanetario Cerca al Tierra causado por la colisin de una satlite con tomos de la atmsfera exterior de la

Tierra y con partculas de los Anillos de Radiacin de Van Allen

Pueden tener un efecto adverso en las propiedades

pticas de los materiales y tal vez enpropensin a la Fatiga de los materiales estructurales Bombardeo Meteortico y Otros

Meteoritos, micro meteoritos, polvo csmico y la basura espacial Peligrosos para el vuelo de naves espaciales en general. Meteoritos muy masivos:

Son extremadamente raros en el espacio. Meteoritos y micro meteoritos

De origen cometario de asteroides.

Densidad de meteoritos Varia entre 0.05gm / cm3


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Bombardeo Meteortico y Otros Energa cintica:

1x107 ergios < E. cintica < 1x1013

Probabilidad de encuentro con meteoritos Mayores a 1.25 gm es muy pequeo. Se ha estudiado que un satlite con un dimetro = 3 metros, tiene una probabilidad

de penetracin 1/2000 en 24 horas. Experimentos con partculas a hiper velocidades han desarrollado una Frmula paracalcular la profundidad de los crteres en los en los materiales de ingeniera.

d= (12/Pi** )1/3 Em1/3

Donded = Distancia de penetracinEm = Energa del meteoroide= Densidad del material impactado.

= Calor de fusin del material de ingienera.

12 = Factor que presupone la formacin de un crter de configuracin de un cono circularrecto con un angulo de apex(.) de 53

Evidencia experimental se acerca a la modelacin terica. El bombardeo meteortico no parece ser un problema significativo excepto para

materiales quebradizos (vidrio, revestimientos cermicos).

materiales_aeroespaciales

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