Aceros 4º parte: Intercambio de aleaciones

ENSAYOS DE TRACCIÓN

Como desconfío un poco de los datos que se presentan en internet, he intentado buscar en donde corresponde; En las normas. Pero por otro lado me tome el trabajo de realizar los ensayos de tracción a muestras de los tubos utilizados en el fuselaje, mas otros tubos en aleación 4130 y otros en acero inoxidable con un doble fin; Para corroborar el tipo de acero que poseo (pudiendo por medio de los límites de tracción poder determinar la aleación y el probable tratamiento térmico) y con el fin de aprendizaje.

Una vez realizados los ensayos, comparo los resultados obtenidos con aquellos que he averiguado por internet, en algún caso el dato es confiable por ser extracto de IRAM y en otro caso desconociendo la veracidad de la fuente.

Una vez que comparé todos los resultados, teóricos Vs prácticos, con seguridad puedo aseverar cuales son los límites que tengo que tomar para los cálculos.

En todos los casos lo haré respondiendo, una vez más, a los lineamientos establecidos por el "worst case".

Quiero aclarar que no es una frase inventada por mi, se maneja para las validaciones en la industria en general y significa que si tengo dos o mas valores o variables posibles con las que puedo contar para realizar mis ensayos o cálculos, deberé tomar aquella que represente el "peor caso" posible.

Entonces:

• Para el acero SAE 1025 tomaré 500 Mpa como límite elástico de tracción
• Para el acero SAE 4130 tomaré 725 Mpa
• Para el acero inoxidable AISI 316 L tomaré el valor de 241 Mpa

COMO REEMPLAZAR LAS ALEACIONES DE LOS TUBOS DE ACERO RESPETANDO LA RESISTENCIA ORIGINAL DE PLANO

Ahora, una vez habiendo visto lo más básico de los aceros y habiendo comprendido un poco más al respecto de los esfuerzos y las resistencias, podemos empezar a ver algo de cálculos con el fin de intercambiar los materiales que vienen en planos.

El intercambio de materiales se da solo por un par de motivos:

• No se consiguen en el país
• Son extremadamente caros

De no ser estos motivos, no encuentro otro para intercambiar aleaciones de tubos, o tipos de maderas, o lo que fuera que el diseñador haya determinado poner en su avión.

Incluso hasta podemos verificar si el aumento en el presupuesto realmente es un escollo insuperable. Vamos a analizarlo de este modo con el fin de hacerlo mas real.

Vamos por caso a analizar el avión "Karatoo", cuyos planos poseo y analizamos tres opciones posibles; el de construirlo como se indica en planos con tubos de acero SAE 4130, posteriormente analizamos su intercambio por tubos de acero SAE 1020/1030 y para los amantes del inoxidable, también veremos la posibilidad de fabricarlo ya sea con aleaciones AISI 304 o AISI 316

Uno de los planos del Karatoo:

Tenemos una vista lateral y un tubo especifico que he recuadrado en rojo denominado como "T6". En la tabla de referencias el tubo "T6" se indica de aleación 4130 y de una medida de 3/4 de diámetro por 0,35 pulgadas de espesor. Finalmente vemos que desde la punta del fuselaje hasta el extremo hay 185 3/4 de pulgadas, también lo he recuadrado en rojo.

Dado que estos yanquis no entienden que hay que trabajar con la unidad del metro, vamos a pasarlo nosotros:

El largo del tubo es de 4718 mm. En realidad es un poco más ya que no he considerado las pendientes (el tubo se levanta). Vamos por tanto a redondear a 4800 mm.

Como son dos tubos (uno de cada lado en la parte trasera) multiplico por dos, con lo cual, si voy a comprar, pido al vendedor 9600 mm. de tubo de esa medida (3/4" = 19,05 mm de diámetro y 0.35" = 0,9 mm de espesor de pared).

El vendedor me dice que el tubo viene estándar de 6 metros de largo y que no me lo puede fraccionar.

Por ende me ofrece dos tubos, con lo cual son 12 metros en total. Para este caso está bastante acertada la medida, ya que si de los 9600 mm (9,6 metros) que necesito, le adiciono un 20% más en concepto de pérdida por rendimiento (por los cortes, las bocas de pescado, etc.) estoy casi justo en la medida que me ofrece el vendedor.

Ahora el vendedor me cotiza por un valor de 27 U$S (valor aproximado) el metro de tubo SAE 4130 de esa medida. Por tanto los 12 metros me va a costar 324 U$S.

Inmediatamente pienso en que todavía faltan muchos mas metros de tubos de aleación 4130 de diversas medidas por comprar e imagino la friolera de dólares que tendré que gastar.

A grandes rasgos, puedo aventurar que para un avión tipo Rans Coyote o Petriel 912i construido íntegramente en acero, voy a necesitar 100 mts. de tubos de diversas medidas, con un costo muy aproximado de 3000 U$S totales.

Primera reacción:

ME ESPANTO E INMEDIATAMENTE SOLICITO PRESUPUESTO POR UN TUBO DE IGUAL MEDIDA PERO EN ALEACIÓN SAE 1020/1030 (difícilmente sepan a ciencia cierta si es uno u o el otro)

El vendedor me indica entonces que esa calidad, por ser inferior, sale 9 U$S el metro y por tanto los 12 metros me va a salir 108 U$S.

Inmediatamente supongo que si fabrico en aleación SAE 1025 voy a gastar un tercio del presupuesto y decido agregar unos kilitos más con el fin de gastar la tercera parte.

FIN...y grave error, diría yo.

• Primero porque no son "solo unos kilitos" de engorde
• Segundo porque no voy a ahorrar la tercera parte, sino menos.

Veamos.

Como primera medida y como dije antes, la calidad de los aceros no va en su aleación sino en la pureza de su composición y la calidad de su trefilado.

Si un tubo en la punta tiene una pared de 1 mm. de espesor y en la otra punta tiene 0,8 mm o 1,2 mm de espesor (debido al trefilamiento de baja calidad efectuado) ese tubo, por mas que sea SAE 4130, es de muy baja calidad.

La aleación SAE 1025 es más económica que la aleación SAE 4130, simplemente porque posee menos resistencia. Pero esperamos que la calidad de ambos, sea la mejor posible, siempre.

Como segunda medida, observamos que el precio de uno es tres veces el precio del otro. Pero...¿Qué sección de tubo debería agregar en aleación SAE 1020 para respetar la resistencia del tubo que el diseñador del Karatoo definió que debe haber allí?.

Calculo por medio de una tablita que he confeccionado en Excel, la resistencia de un tubo de aleación SAE 4130 de 3/4" por 0.9 mm de espesor, y de otro tubo de igual medida pero en acero SAE 1025. voy a incluir también el cálculo para un tubo de acero inoxidable. Los resultados son los siguientes, recuadrado en rojo en la primer tabla para resaltar la ubicación del resultado:

Las tensiones, valores resaltados en naranja en las tablas, son propias de cada material.

Un error que observo en muchos constructores es que livianamente "elijen" el material para construir y simplemente construyen. Por supuesto el material nunca es el original de plano y en la mayoría de los casos el seleccionado posee una resistencia menor (más económico).

En los casos mas graves, aviones experimentales o ultra livianos que fueron diseñados en acero SAE 4130 son reemplazados caprichosamente y sin evaluación previa, por un acero inoxidable de la misma sección.

Para un caso como el mencionado, se puede calcular muy fácilmente la disminución en la resistencia:

Si observan en la tablita del gráfico de arriba, las tensiones máximas elásticas para cada material son las siguientes:

725 Mpa para el SAE 4130

241 Mpa para el AISI 316L

Ahora calculo la relación entre ellas, para eso las voy a dividir:

725/241 = 3

Esto significa que el acero SAE 4130 tiene exactamente el triple de resistencia elástica que el acero inoxidable AISI 316L (o si se quiere, AISI 304, ya que en ambos casos el límite elástico es el mismo).

Ahora hago lo propio, pero esta vez con el dato de la carga máxima elástica a tracción/compresión:

3793Kg/1261Kg = 3

Esto significa que la disminución en la carga soportada para el acero inoxidable es lineal y proporcional a la disminución de la resistencia respecto del acero SAE 4130 y que ésta equivale a un tercio.

En definitiva, una estructura que fue diseñada en acero 4130 y construida en acero inoxidable (con la misma sección de tubos) pesa lo mismo pero posee un tercio de la resistencia que debiera tener por diseño.

Si hacemos el mismo cálculo entre el acero SAE 4130 y el SAE 1025, obtenemos los siguientes resultados:

725 Mpa para el SAE 4130 / 500 Mpa para el SAE 1025 = 1,5 Esto significa que el acero SAE 4130 tiene exactamente un 50% más de resistencia elástica que el acero SAE 1025.

3793Kg/2616Kg = 1,5 Esto significa que la disminución en la carga soportada para el acero SAE 1025 es lineal y proporcional a la disminución de la resistencia respecto del acero SAE 4130 y que ésta equivale una disminución en la resistencia del 50%.

Entonces, en este caso, si llevamos la construcción a SAE 1025 y utilizamos las dimensiones de los tubos de plano (que fue diseñado originalmente para ser fabricado en SAE 4130) tenemos una estructura exactamente a la mitad de su resistencia original.

Las consecuencias son las mismas que las mencionadas para la construcción en acero inoxidable, con la salvedad que para el último caso, como la reducción en la resistencia es la mitad en vez de ser un tercio, la falla estructural tiene menos posibilidades de presentarse ante maniobras extremas.

Volviendo al problema del Karatoo, veamos que medida de tubo SAE 1025 necesitaría para reemplazar el tubo del diseño original en el plano y el aumento en el peso, para esto, simplemente voy a "jugar" aumentando la sección del tubo SAE 1025 (diámetro y espesor del tubo) hasta que el valor de carga máxima sea el mismo o muy similar al de su símil 4130:

EL MOMENTO DE LA FUERZA

Hay un dato muy importante que no puedo dejar pasar por alto. Recién hemos sobredimensionado un tubo que quiero usar para que posea la misma resistencia que el tubo original del plano que no voy a comprar.

Pero esa resistencia es a tracción y compresión. Vale si existen esfuerzos que hagan estirar el tubo o lo hagan comprimir. Este tipo de esfuerzos se dan por ejemplo en los tubos del tren de aterrizaje o en los tubos diagonales y oblicuos que conforman una estructura del tipo "Warren"

Sin embargo, en este mismo ejemplo, los tubos horizontales no van a ser ni "estirados" ni comprimidos ya que las cargas que se producen sobre ellos son perpendiculares.

La pregunta es: ¿Vale lo que ya vimos en la planilla de Excel acerca de como intercambiar las aleaciones de tubos?.

La respuesta rápida es SI, VALE.

Pero, hay una manera de disminuir un poquito mas el peso, para aquellos tubos donde no se producen cargas de tracción o compresión, sino cargas de flexión (perpendiculares). Veamos esto que no es difícil y puede hacer ahorrar unos kilos

Comparemos el avión Karatoo y el mío propio de la imagen de arriba

Entonces, si se tiene la capacidad de saber y entender donde se producen los esfuerzos sobre los tubos en cuestión, se puede hacer lo siguiente:

• Para el mismo tubo horizontal del plano del Karatoo que ya expuse arriba:

La realidad es que ese tubo no se va a comprimir ni se va a estirar, en cambio va a sufrir cargas que lo lleven a flexión (corte y torsión también...omitamos esto).

Entonces en la planilla hacemos lo siguiente:

Como se ve, el tubo de 25 mm de aleación SAE 1020 se encuentra bastante sobredimensionado ya que soporta un momento de 22 Kgm contra los 16 del tubo SAE 4130, lo que no es malo desde el punto de vista estructural y por eso indiqué con anterioridad que la elección es válida, pero desde el punto de vista del peso, se puede mejorar.

Vemos en la tabla del medio que seleccionando un tubo de menor sección, igualando los momentos de la fuerza, nos ahorramos 1Kg de peso por cada tubo. Si suponemos cuatro tubos, siendo dos inferiores y los dos superiores del fuselaje, podemos ahorrarnos 4 kg. con solo estos cuatro tubos.

Ahora, ¿Porque un tubo de menor resistencia soporta un momento mayor que un tubo de mayor resistencia?

Esta pregunta puede hacerla alguien que no haya leído la entrada "Inercia" en el apartado de teoría. La respuesta es que el tubo de 25 mm. x 1 mm de espesor de pared posee mayor diámetro que el tubo SAE 4130 (de tres cuartos de pulgada x 0,9 mm de espesor de pared) y eso es lo que genera que su inercia sea mayor. Por ende, soporta también un momento mayor. Finalmente, esto va a hacer que ante una carga perpendicular, flexione menos y no se deforme.

CONCLUSIÓN

• Si el tubo sufre cargas longitudinales que le generan tracción o compresión, se debe seleccionar un reemplazo verificando la "Carga máxima elástica a tracción/compresión". Vale por ejemplo para tubos diagonales y verticales que conformen una estructura del tipo Pratt o Warren y para los tubos del tren de aterrizaje.
• Si el tubo sufre cargas perpendiculares que le general flexión, se debe seleccionar un reemplazo verificando su "momento de la fuerza" vale por ejemplo para los tubos horizontales que conforman el cajón de las estructuras mencionadas en el punto de arriba.
• Para aquel que tiene claro los esfuerzos sobre cada tubo, hacer una selección correcta, lleva a una importante disminución en el peso.
• Si no se está seguro a qué tipo de carga está expuesto un determinado tubo, se debe seleccionar su reemplazo según el primer ítem aquí escrito.

EL ASPECTO ECONÓMICO

A Diós a las soluciones mágicas, el ahorrar dinero, genera trabajar con materiales menos resistentes. Esto a su vez genera tener que aumentar las secciones para respetar la resistencia de diseño (condición excluyente) y por ende un ingente aumento en el peso de, al menos, un 50 %.

La pregunta es: ¿Es mucho o es poco un aumento del 50%?.

Bueno...si yo digo que un fuselaje construido íntegramente en acero 4130 no puede pesar más de 50 Kg. construyéndolo en SAE 1025 lo estoy llevando a 75 Kg y en lo que a mi concierne, 25 Kg de aumento, es una barbaridad.

Esos 25 Kg voy a tener que sacarlos de algún lado y lo único que me resta es achicar los tanques y cargar menos combustible penalizando la autonomía

Puede haber otra opción:

• Menos carga útil (por ejemplo teniendo que limitar los pesos de piloto y pasajero a no más de 75/80 Kg para cada uno) y sin siquiera la posibilidad de un bolso de mano para transportar.

Si no quiero aplicar ninguna de las dos posibles soluciones, deberé re-calcular todas las velocidades y allí las actuaciones del avión se verán severamente alteradas, como ya lo expresé en la entrada de "Motor aero Vs Motor de auto".

Respecto del acero inoxidable, siendo la relación de resistencias y pesos igual a 3, para un fuselaje de 50 Kg, lo debería llevar a un peso final de 150 Kg. para mantener la resistencia de diseño dentro de parámetros. Por supuesto algo absolutamente inviable.

Estimados amantes del acero inoxidable, éste se utiliza para fabricar utensilios para cirugía y equipamiento sanitario.

• No para fabricar fuselajes.
• No para fabricar cuadros de bicicletas.
• No para fabricar estructuras de autos de competición.

Volvamos nuevamente al problema.

Ya vimos entonces que mudarse del acero 4130 a una aleación 1020/1030 representa un aumento del 50% del peso y vimos como suplantar fácilmente cada tubo, aumentando las secciones del acero SAE 1025 con el fin de respetar las resistencias originales de diseño.

Evaluemos el aspecto económico.

Cuando verifiqué que el acero de aleación SAE 4130 cuesta tres veces más que su símil 1020/1030...me asusté y creí que el gasto era el triple. Pero aquél avezado calculador ya se dio cuenta que esto no es tan así.

El aumento no es el triple (y en esta maldita trampa caí yo mismo) sino aproximadamente un 75% menos que eso.

Un tubo de 1 pulgada de diámetro y 1 mm de espesor de pared en acero 4130 sale tres veces más que un tubo de iguales medidas en acero 1025.

El secreto es que no tengo que cambiar tubo por tubo. Donde yo vaya a colocar un tubo de 1 pulgada de diámetro y 1 mm de espesor de acero 1025, es porque allí originalmente iba un tubo SAE 4130 DE MENOR SECCIÓN, es decir, de 3/4 de pulgada x 0,9 mm de pared.

Si hacemos la cuenta, veremos que el aumento no es el triple, sino un poco más del doble; es justamente el 125% de aumento en el precio.

Por tanto, cuando nunca pedimos un presupuesto por los tubos SAE 4130 con las medidas del plano y solo nos quedamos con que el valor de un tubo sale 3 veces más que el otro, el verdadero incremento es un 75% menos de lo que suponíamos.

Voy a ir un poco mas allá en esto.

Porque ahora, me encuentro pensando si vale o no la pena el aumento del peso Vs el mayor gasto que representa trabajar en acero 4130 dado que no es tanto como lo que suponía al principio.

Hoy día, comprar todos los tubos en acero SAE 1025 para construir el fuselaje del problema sale aproximadamente 1000 U$S.

Si lo construimos en acero SAE 4130 nos va a salir aproximadamente 2250 U$S.

El aumento del peso, construyendo con la primera opción respecto de la segunda opción es de 25 Kg.

Esto equivale a decir que estoy pagando 50 dólares por cada kilo que le resto al fuselaje.

Pero al que todavía no se convence y no cree que 1 kg valga 50 U$S...¿Qué precio tiene salir a volar con el exceso de ese peso? ¿Cuanto vale disminuir la autonomía y/o la carga útil? ¿Cuanto cuesta el riesgo asumido en la seguridad respecto de la integridad de la aeronave y la nuestra propia?. Todo el mundo conoce los riesgos inherentes al aumento de peso en una aeronave. Si no lo conoce, debiera investigarlos.

La tabla

A todo aquel interesado en trabajar con la tabla que he confeccionado, puede mandarme mail a polsebc@gmail.com y con gusto se la haré llegar.