El módulo de Young, también denominado módulo de elasticidad, mide la resistencia de un material a la deformación elástica bajo cargas de tracción o compresión.
El módulo de Young del aluminio es de aproximadamente 69 GPa, o 10.000 ksi, a temperatura ambiente.
La mayoría de las aleaciones de aluminio comunes presentan valores aproximados de entre 68,9 y 73,1 GPa. La composición de la aleación causa pequeñas diferencias, mientras que el tratamiento térmico afecta mucho más a la resistencia que a la rigidez.
Este artículo explica el módulo de Young del aluminio, los valores de aleaciones comunes, los factores que influyen, los métodos de ensayo y la comparación con otros metales de ingeniería.
Definición y fórmula del módulo de Young
El módulo de Young describe la relación entre la tensión normal y la deformación unitaria normal dentro de la región elástica lineal.
La fórmula básica es:
E = σ / ε
Donde:
- E es el módulo de Young
- σ es la tensión de tracción o compresión
- ε es la deformación unitaria axial
La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada por el área transversal original:
σ = F / A
La deformación unitaria es el cambio de longitud dividido por la longitud original:
ε = ΔL / L₀
Un material con mayor módulo de Young experimenta menos deformación elástica bajo la misma tensión.
Un material con menor módulo de Young se alarga o comprime más bajo la misma carga.
El módulo de Young solo se aplica a la región elástica. Cuando la tensión aplicada supera el límite elástico, comienza la deformación permanente.
Ejemplo
Considere una barra de aluminio 6061-T6 sometida a una tensión de tracción de 100 MPa.
Utilizando un módulo de Young de 68,9 GPa:
ε = σ / E
- ε = 100 MPa / 68,900 MPa
- ε = 0.00145
La deformación elástica es de aproximadamente 0,145 %.
Si la longitud original de la barra es de 500 mm:
ΔL = ε × L₀
- ΔL = 0.00145 × 500
- ΔL ≈ 0.73 mm
La barra recuperará su longitud original después de retirar la carga, siempre que la tensión permanezca por debajo de su límite elástico.
Módulo de Young del aluminio
El aluminio comercialmente puro tiene un módulo de Young de aproximadamente 68–69 GPa a temperatura ambiente.
Este valor también puede expresarse como:
- 68,000–69,000 MPa
- 9.9–10.0 × 10⁶ psi
- 9,900–10,000 ksi
En comparación con muchos metales estructurales, el aluminio tiene un módulo elástico relativamente bajo.
Esto significa que un componente de aluminio se deformará más que uno de acero con las mismas dimensiones y carga aplicada.
Sin embargo, el aluminio tiene una densidad de aproximadamente 2.70 g/cm³. Su bajo peso permite utilizar secciones transversales mayores o más eficientes sin una masa excesiva.
Los módulos de tracción y compresión del aluminio son similares, aunque algunas fichas de materiales indican un módulo de compresión ligeramente superior al valor de tracción.
Módulo de Young de aleaciones de aluminio comunes
El módulo de Young de la mayoría de las aleaciones comerciales de aluminio se sitúa dentro de un intervalo estrecho.
| Aleación de aluminio | Temple | Módulo de Young | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Aluminio comercialmente puro | — | 68–69 GPa | Productos eléctricos, equipos químicos y piezas conformadas |
| 6061 | T6 | 68.9 GPa | Piezas estructurales, componentes mecanizados y fabricación general |
| 6063 | T6 | 68.9 GPa | Perfiles extruidos arquitectónicos e industriales |
| 6082 | T6 | 70.0 GPa | Secciones estructurales y componentes mecanizados |
| 5083 | H116 | 70.3 GPa | Estructuras marinas, depósitos y conjuntos soldados |
| 7075 | T6 | 71.7 GPa | Componentes aeroespaciales y mecánicos de alta resistencia |
| 2024 | T3 | 73.1 GPa | Estructuras aeronáuticas y componentes sometidos a cargas elevadas |
Las diferencias entre las aleaciones de aluminio comunes son relativamente pequeñas.
Por ejemplo, el 7075-T6 tiene un límite elástico y una resistencia a la tracción mucho mayores que el 6061-T6. Sin embargo, su módulo de Young solo es aproximadamente un 4 % superior.
Esto significa que sustituir 6061 por 7075 puede aumentar mucho la resistencia, pero no producirá una reducción igualmente grande de la deflexión elástica.
Comparación del módulo de Young con otros metales
El aluminio es menos rígido que el acero, el titanio y el cobre, pero más rígido que las aleaciones de magnesio comunes.
| Material | Módulo de Young representativo | Densidad |
|---|---|---|
| Aleación de magnesio | 44–45 GPa | Aproximadamente 1.8 g/cm³ |
| Aleación de aluminio | 69–73 GPa | Aproximadamente 2.70 g/cm³ |
| Titanio de grado 5 | 113.8 GPa | Aproximadamente 4.43 g/cm³ |
| Cobre C10100 | Aproximadamente 117 GPa | Aproximadamente 8.94 g/cm³ |
| Acero al carbono | Aproximadamente 205 GPa | Aproximadamente 7.85 g/cm³ |
El acero al carbono tiene un módulo de Young cercano a tres veces el del aluminio.
Por tanto, bajo la misma tensión, una pieza de aluminio experimentará aproximadamente tres veces la deformación elástica de una pieza similar de acero.
Sin embargo, el acero también es casi tres veces más denso. El aluminio sigue siendo útil cuando son importantes el bajo peso, la resistencia a la corrosión, la conformabilidad y la eficiencia estructural.
El titanio es más rígido que el aluminio, pero tiene mayor densidad y coste.
El magnesio es más ligero que el aluminio, pero tiene un módulo de Young inferior.
Módulo de Young frente a límite elástico
El módulo de Young y el límite elástico describen propiedades distintas del material.
El módulo de Young mide la rigidez. Indica cuánto se deforma elásticamente un material bajo una tensión aplicada.
El límite elástico mide la resistencia a la deformación permanente. Indica cuándo el material empieza a conservar deformación después de retirar la carga.
El tratamiento térmico puede aumentar mucho el límite elástico del aluminio sin provocar un aumento similar del módulo de Young.
Por ejemplo, 6061-O y 6061-T6 tienen resistencias muy diferentes, pero ambos presentan un módulo de Young de aproximadamente 68,9 GPa.
Por tanto, una aleación de aluminio más resistente no es necesariamente mucho más rígida.
Factores que afectan al módulo de Young del aluminio
Varios factores pueden influir en el módulo de Young medido o efectivo del aluminio.
Temperatura
El módulo de Young suele disminuir al aumentar la temperatura.
Las temperaturas más altas incrementan la vibración atómica y reducen la resistencia de los enlaces metálicos a la deformación elástica.
A temperaturas criogénicas, el módulo elástico suele aumentar.
Para cálculos a temperatura elevada, no deben utilizarse valores de temperatura ambiente sin corrección.
Por ello, los componentes de motores aeronáuticos, como los álabes de compresor, deberían fabricarse con aleaciones de aluminio de la serie 7xxx, que mantienen mejor el módulo, aproximadamente un 85 % a 150°C, que las de la serie 6xxx, aproximadamente un 75 %.
Composición de la aleación
El cobre, el magnesio, el silicio, el zinc, el litio y otros elementos de aleación pueden modificar el módulo elástico.
El efecto suele ser moderado en las aleaciones de aluminio convencionales.
La mayoría de las aleaciones de forja comunes permanecen dentro del intervalo aproximado de 69–73 GPa.
Temple y tratamiento térmico
El recocido, el tratamiento térmico de solubilización y el envejecimiento artificial afectan en gran medida a la resistencia y la dureza.
Su efecto sobre el módulo de Young es mucho menor.
Por eso, distintos temples de la misma aleación suelen utilizar el mismo valor nominal de módulo.
Dirección de fabricación
El laminado, la extrusión, la forja y otros procesos de conformado pueden crear textura cristalográfica.
Esto puede producir pequeñas diferencias entre las mediciones longitudinales y transversales.
Para cálculos generales, el aluminio trabajado suele considerarse isótropo. Los análisis de precisión pueden requerir datos específicos de cada dirección.
Porosidad y defectos
Los huecos, la porosidad de fundición, las grietas y las interfaces débiles pueden reducir la rigidez efectiva de un componente.
El módulo intrínseco de la matriz de aluminio puede permanecer sin cambios, pero la rigidez medida de la pieza puede ser menor.
Este efecto es más importante en materiales porosos, piezas fundidas, espumas y compuestos de matriz metálica.
Aplicaciones e importancia para la ingeniería
El módulo de Young es importante siempre que deba estimarse la deformación elástica de un componente de aluminio.
Las aplicaciones comunes incluyen:
- Bastidores estructurales de aluminio
- Perfiles extruidos y vigas
- Componentes aeroespaciales y de automoción
- Carcasas y soportes mecanizados por CNC
- Tubos, placas y estructuras de soporte
- Instrumentos y útiles de precisión
- Fachadas de edificios y sistemas de muro cortina
El módulo de Young se utiliza para calcular el alargamiento axial, la deflexión de vigas, el pandeo elástico, el comportamiento vibratorio y la rigidez estructural.
Debe considerarse junto con la geometría de la pieza, el espesor de pared, la dirección de carga, las condiciones de apoyo y el límite elástico.
En muchas estructuras de aluminio, cambiar la geometría de la sección transversal afecta más a la rigidez que cambiar entre aleaciones de aluminio convencionales.
Métodos de medición
El módulo de Young puede medirse mediante métodos estáticos o dinámicos.
Ensayo de tracción
Se carga una probeta de tracción mientras un extensómetro mide la deformación axial.
El módulo de Young se calcula a partir de la pendiente de la sección lineal de la curva tensión-deformación.
Es el método más común para los metales.
La medición precisa de la deformación es importante porque el intervalo de deformación elástica es pequeño.
Ensayo de compresión
Se comprime una probeta mientras se registran la tensión aplicada y la deformación axial.
El módulo de compresión se calcula a partir de la relación lineal inicial entre tensión y deformación.
En las aleaciones de aluminio, el módulo de compresión puede ser ligeramente superior al módulo de tracción.
Ensayo de resonancia
Se excita una probeta a sus frecuencias naturales de resonancia.
El módulo de Young dinámico se calcula a partir de la geometría, la masa y la frecuencia de resonancia de la probeta.
Los valores del módulo dinámico pueden diferir ligeramente de los valores estáticos de tracción.
Ensayo ultrasónico
La velocidad de las ondas longitudinales y de corte a través del material puede utilizarse para calcular las constantes elásticas.
El ensayo ultrasónico no es destructivo y resulta útil para caracterizar materiales y controlar la calidad.
ASTM E111 proporciona un método normalizado para determinar el módulo de Young, el módulo tangente y el módulo secante de materiales estructurales.
Módulo de Young y módulo de corte
El módulo de Young describe la resistencia a la deformación axial por tracción o compresión.
El módulo de corte describe la resistencia a la deformación angular o por cortante.
Para un material isótropo, la relación es:
E = 2G(1 + ν)
Donde:
- E es el módulo de Young
- G es el módulo de corte
- ν es el coeficiente de Poisson
Para el aluminio, los valores típicos son:
- Módulo de Young: aproximadamente 69 GPa
- Módulo de corte: aproximadamente 26 GPa
- Coeficiente de Poisson: aproximadamente 0,33
Estos valores están relacionados, pero no son intercambiables.
Resumen
El módulo de Young del aluminio es de aproximadamente 69 GPa, o 10.000 ksi, a temperatura ambiente.
La mayoría de las aleaciones de aluminio comunes presentan valores aproximados de entre 68,9 y 73,1 GPa.
6061-T6 y 6063-T6 tienen aproximadamente 68,9 GPa.
6082-T6 tiene aproximadamente 70 GPa.
7075-T6 tiene aproximadamente 71,7 GPa.
2024-T3 tiene aproximadamente 73,1 GPa.
El aluminio es menos rígido que el acero, el titanio y el cobre, pero su baja densidad proporciona una relación rigidez-peso útil.
La aleación y el tratamiento térmico pueden modificar mucho la resistencia del aluminio. Su efecto sobre el módulo de Young es comparativamente pequeño.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es el módulo de Young del aluminio?
El módulo de Young del aluminio es de aproximadamente 69 GPa, o 10.000 ksi, a temperatura ambiente.
¿Cuál es el módulo de Young del aluminio 6061?
El aluminio 6061-T6 tiene un módulo de Young típico de 68,9 GPa, o 10.000 ksi.
¿Cuál es el módulo de Young del aluminio 6063?
El aluminio 6063-T6 tiene un módulo de Young típico de 68,9 GPa, o 10.000 ksi.
¿Cuál es el módulo de Young del aluminio 7075?
El aluminio 7075-T6 tiene un módulo de Young típico de 71,7 GPa, o 10.400 ksi.
¿Cuál es el módulo de Young del aluminio 2024?
El aluminio 2024-T3 tiene un módulo de Young típico de 73,1 GPa, o 10.600 ksi.
¿El tratamiento térmico aumenta el módulo de Young del aluminio?
El tratamiento térmico solo tiene un pequeño efecto sobre el módulo de Young. Afecta mucho más al límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza.
¿El aluminio es más elástico que el acero?
El aluminio tiene un módulo de Young menor que el acero, por lo que experimenta más deformación elástica bajo la misma tensión. Esto no significa que siempre pueda soportar más deformación antes de alcanzar el límite elástico.
