El módulo de cizalladura del aluminio, también denominado módulo de rigidez (G), mide la resistencia de un material a la deformación por cizalladura.
El aluminio tiene un módulo de cizalladura aproximado de 26 GPa (3.8 × 10⁶ psi), aunque el valor exacto varía ligeramente según la aleación, el temple y el método de procesamiento.
Por ejemplo, las aleaciones habituales como la 6061-T6 tienen un módulo de cizalladura de aproximadamente 26 GPa, mientras que el de la 7075-T6 es ligeramente superior, de unos 26.9 GPa. El aluminio 2024-T3 de alta resistencia puede alcanzar alrededor de 28 GPa.
Este artículo explica el módulo de cizalladura del aluminio, los valores habituales de las aleaciones más comunes, los factores que influyen, los métodos de ensayo y la comparación con otros metales.
Definición del módulo de cizalladura
El módulo de cizalladura define la relación lineal entre la tensión cortante y la deformación por cizalladura en la zona elástica:
G = τ / γ
Donde:
- G = módulo de cizalladura o módulo de rigidez
- τ = tensión cortante
- γ = deformación por cizalladura
El módulo de cizalladura describe la resistencia de un material al cambio de forma cuando actúan fuerzas paralelas a su sección transversal.
Un módulo de cizalladura más alto significa que el material resiste mejor la deformación angular. Un módulo más bajo indica que el material se retuerce, dobla o deforma con mayor facilidad bajo una carga cortante.
En los materiales isótropos, el módulo de cizalladura está relacionado con el módulo de Young y el coeficiente de Poisson:
G = E / [2(1 + ν)]
Donde:
- E = módulo de Young
- ν = coeficiente de Poisson
- G = módulo de cizalladura
Como el aluminio tiene un módulo de Young de aproximadamente 69–70 GPa y un coeficiente de Poisson cercano a 0,33, su módulo de cizalladura suele situarse cerca de 26 GPa.
El módulo de cizalladura no debe confundirse con la resistencia al cizallamiento. El módulo mide la rigidez elástica bajo cizalladura. La resistencia al cizallamiento indica la tensión a la que el material empieza a fallar o a deformarse permanentemente por cizalladura.
Módulo de cizalladura del aluminio puro
El aluminio puro suele tener un módulo de cizalladura de aproximadamente 25–26 GPa.
Sus características principales son:
- Comportamiento lineal-elástico claro bajo cargas cortantes pequeñas
- Rigidez a cizalladura inferior a la del acero, el cobre y el titanio
- Rigidez a cizalladura superior a la del magnesio
- Buena relación rigidez-peso gracias a su baja densidad
- Ligeras variaciones según la pureza, el procesamiento y el método de ensayo
El aluminio puro es blando y muy dúctil. Su resistencia al cizallamiento es mucho menor que la de muchas aleaciones de aluminio, pero su módulo de cizalladura se mantiene próximo al de la mayoría de las calidades comerciales.
Esto se debe a que la aleación y el tratamiento térmico modifican la resistencia mucho más que el módulo elástico.
Módulo de cizalladura de las aleaciones de aluminio
La mayoría de las aleaciones de aluminio tienen un módulo de cizalladura entre 25 y 28 GPa. La diferencia entre las aleaciones habituales suele ser pequeña.
La siguiente tabla recoge los valores habituales de las aleaciones de aluminio más utilizadas.
La tabla muestra que las aleaciones 2024 y 7075 presentan módulos de cizalladura ligeramente superiores a los de las aleaciones 6061 y 6063.
Sin embargo, la diferencia no es considerable. En muchas aplicaciones prácticas, la geometría de la pieza influye más en la rigidez torsional que la pequeña diferencia de módulo de cizalladura entre aleaciones de aluminio.
El tratamiento térmico tiene una influencia limitada en el módulo de cizalladura. Afecta de forma importante al límite elástico, la resistencia a la tracción, la dureza y la resistencia al cizallamiento, pero la rigidez elástica permanece relativamente estable.
Comparación del módulo de cizalladura: aluminio frente a otros metales
El aluminio tiene un módulo de cizalladura inferior al de la mayoría de los metales estructurales. Por tanto, se deforma más bajo la misma tensión cortante.
Sin embargo, el aluminio también es mucho más ligero que el acero, el cobre y el titanio. Su baja densidad permite utilizar secciones mayores sin dejar de mantener un componente ligero.
La siguiente tabla compara el aluminio con varios metales de ingeniería habituales.
El módulo de cizalladura del aluminio es aproximadamente un tercio del correspondiente al acero al carbono. Por tanto, un eje, tubo o elemento estructural de aluminio se retorcerá más que uno de acero con la misma forma y carga.
La diferencia de peso también es importante. La densidad del aluminio es aproximadamente un tercio de la del acero. Esto lo hace adecuado para estructuras ligeras en las que la reducción de peso es importante.
Factores que afectan al módulo de cizalladura
Varios factores pueden influir en el módulo de cizalladura medido del aluminio:
- Composición de la aleación: elementos como el magnesio, el silicio, el cobre, el zinc y el manganeso pueden modificar ligeramente las propiedades elásticas.
- Estado de temple: el tratamiento térmico tiene un efecto pequeño en el módulo de cizalladura, pero un efecto importante en la resistencia.
- Temperatura: una temperatura más alta suele reducir la rigidez.
- Proceso de fabricación: la extrusión, el laminado, la forja o la fundición pueden producir una ligera anisotropía.
- Porosidad y defectos: los poros de fundición, las grietas, los defectos de soldadura y las inclusiones pueden reducir la rigidez efectiva de una pieza.
- Dirección de ensayo: los productos laminados o extruidos pueden mostrar pequeñas diferencias entre las direcciones longitudinal y transversal.
Para la mayoría de los cálculos de ingeniería habituales, se considera que las aleaciones de aluminio tienen un módulo de cizalladura próximo a 26 GPa.
Para estructuras de precisión, piezas aeroespaciales y análisis por elementos finitos deben utilizarse datos específicos de la aleación y el temple.
Métodos de ensayo del módulo de cizalladura
El módulo de cizalladura puede medirse o estimarse mediante varios métodos.
Ensayo de torsión
Una probeta se somete a torsión con un par controlado. El módulo de cizalladura se calcula a partir de la relación entre el par, el ángulo de torsión, la longitud y el momento polar de inercia.
Este es uno de los métodos más directos para medir la rigidez a cizalladura.
Ensayo de cizalladura
Una muestra se somete a una carga cortante hasta que se produce la deformación. En la zona elástica, el módulo de cizalladura puede calcularse a partir de la pendiente de la curva tensión-deformación por cizalladura.
Este método se utiliza habitualmente para caracterizar materiales.
Ensayo por ultrasonidos
La velocidad de las ondas ultrasónicas permite calcular las constantes elásticas, incluido el módulo de cizalladura. Este método no destructivo es útil para el control de calidad y la investigación.
Cálculo a partir del módulo de Young y el coeficiente de Poisson
En materiales isótropos, el módulo de cizalladura puede calcularse mediante:
G = E / [2(1 + ν)]
Para el aluminio, utilizando E = 69 GPa y ν = 0,33:
G ≈ 69 / [2(1 + 0.33)]
G ≈ 25.9 GPa
Por eso la mayoría de las aleaciones de aluminio figuran con un módulo de cizalladura próximo a 26 GPa.
Aplicaciones en las que importa el módulo de cizalladura
El módulo de cizalladura es importante cuando las piezas de aluminio están sometidas a torsión, retorcimiento o cargas cortantes.
Entre las aplicaciones habituales se incluyen:
- Ejes y componentes giratorios
- Tubos de aluminio y perfiles huecos
- Bastidores estructurales
- Soportes y conectores
- Piezas aeroespaciales y de automoción
- Componentes de aluminio mecanizados por CNC
- Perfiles de aluminio extruido
- Utillajes, soportes y carcasas mecánicas
En estas aplicaciones, el módulo de cizalladura ayuda a estimar la torsión elástica y la deformación por cizalladura.
En la mayoría de las piezas de aluminio, el módulo de cizalladura es solo uno de los factores de diseño. Los ingenieros también consideran el límite elástico, la resistencia a la fatiga, el espesor de pared, la forma de la sección, la dirección de la carga y el diseño de las uniones.
Módulo de cizalladura frente al módulo de Young del aluminio
El módulo de Young y el módulo de cizalladura describen la rigidez elástica, pero se aplican a tipos de carga diferentes.
El módulo de Young mide la resistencia a la deformación por tracción o compresión.
El módulo de cizalladura mide la resistencia a la deformación por cizalladura.
Para el aluminio:
- Módulo de Young: aproximadamente 69–70 GPa
- Módulo de cizalladura: aproximadamente 25–27 GPa
- Coeficiente de Poisson: aproximadamente 0,33
Ambos valores están relacionados, pero no son intercambiables.
Si un componente se estira o comprime, normalmente se utiliza el módulo de Young. Si se retuerce o carga a cizalladura, el módulo de cizalladura es más relevante.
Resumen
El aluminio tiene un módulo de cizalladura aproximado de 26 GPa, o 3,8 × 10⁶ psi.
En comparación con el acero, el aluminio tiene un módulo de cizalladura mucho menor. Por tanto, se retuerce y deforma más bajo la misma carga cortante.
Sin embargo, la baja densidad del aluminio le proporciona una buena relación rigidez-peso. Por eso sigue utilizándose ampliamente en estructuras ligeras, perfiles extruidos, piezas mecanizadas por CNC, componentes de automoción y aplicaciones aeroespaciales.
Al seleccionar aluminio para cargas de cizalladura o torsión, el módulo de cizalladura debe evaluarse junto con la resistencia, la geometría, el espesor de pared, la temperatura y el proceso de fabricación.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el módulo de cizalladura del aluminio?
El módulo de cizalladura del aluminio es de aproximadamente 26 GPa, o 3,8 × 10⁶ psi. El valor exacto depende de la aleación, el temple y el método de procesamiento.
¿Cuál es el módulo de cizalladura del aluminio 6061-T6?
El aluminio 6061-T6 tiene un módulo de cizalladura (G) de aproximadamente 26 GPa, o 3,77 × 10⁶ psi.
¿Cuál es el módulo de cizalladura del aluminio 6063-T6?
El aluminio 6063-T6 tiene un módulo de cizalladura (G) de aproximadamente 25,8 GPa, o 3,74 × 10⁶ psi.
¿Cuál es el módulo de cizalladura del aluminio 7075?
El aluminio 7075-T6 tiene un módulo de cizalladura (G) de aproximadamente 26,9 GPa, o 3,90 × 10⁶ psi.
¿Cuál es el módulo de cizalladura del aluminio 2024?
El aluminio 2024-T3 y 2024-T4 suele tener un módulo de cizalladura (G) de aproximadamente 28 GPa, o 4,06 × 10⁶ psi.
¿Es el módulo de cizalladura igual que la resistencia al cizallamiento?
No. El módulo de cizalladura mide la resistencia elástica a la deformación por cizalladura. La resistencia al cizallamiento mide la tensión cortante máxima que puede soportar un material antes de que fluya o falle.
¿Qué relación existe entre E y G para el aluminio?
En materiales isótropos, G = E / [2(1 + ν)]. Para el aluminio, E es de aproximadamente 69 GPa y el coeficiente de Poisson de aproximadamente 0,33, por lo que G es de unos 26 GPa.
