Desarrollo de aleaciones de aluminio de elevadas prestaciones mecánicas y método de predicción de vida a fatiga orientados a componentes de automoción

Resumo

Las restricciones en cuanto a emisiones de CO2 a la atmósfera promovidas por la Unión Europea han obligado a reducir el peso de los vehículos y con ello, de los componentes que los integran. Esto ha originado una transición de materiales, de la fundición de hierro a las aleaciones de aluminio, debido a su menor densidad. Sin embargo, las aleaciones de aluminio presentan unas propiedades mecánicas inferiores, y por tanto, dificultades en cuanto a cumplir con los requerimientos exigibles a las piezas, principalmente en aquellas zonas sometidas a mayores esfuerzos. Por lo tanto, la presente tesis se centra en la mejora del comportamiento en servicio de componentes de aluminio fabricados por fundición en baja presión y sometidos a cargas severas, como pueden ser las llantas o los portamanguetas. En primer lugar, se han desarrollado aleaciones de aluminio alternativas a la A356 (Al-Si-Mg), que es la más empleada en la actualidad, con el objetivo de mejorar sus propiedades mecánicas. Para ello se ha optado por dos vías: añadir Cu a la composición de la aleación A356, dando lugar a aleaciones Al-Si-Cu-Mg en las que es necesario aunar una buena resistencia y elongación con una buena resistencia frente a corrosión, y adaptar la composición de la familia 7xxx (Al-Zn-Mg) de forja para poder ser utilizada en procesos de fundición. En ambos casos, el estudio se ha centrado tanto en el diseño de la composición como en el del tratamiento térmico óptimo a aplicar. Como resultado se han obtenido dos aleaciones, una de cada familia, que, tratadas térmicamente, alcanzan hasta 357 MPa de límite elástico, 398 MPa de resistencia máxima y 11,1 % de elongación, lo que supone una mejora de 90, 53 y 120 %, respectivamente, las propiedades a tracción de la aleación A356. Asimismo, por su situación en el vehículo, estos componentes están sometidos a cargas severas en el tiempo, lo que puede causar la rotura por fatiga. El comportamiento a fatiga de un componente depende de diversos factores tales como la calidad superficial, concentradores de tensiones, tensiones residuales,… además, en componentes fundidos, los defectos introducidos durante el proceso son determinantes en el mismo. De entre ellos, la porosidad es la que presenta una mayor repercusión. Los modelos específicos desarrollados hasta la fecha no contemplan adecuadamente la influencia de este factor en la vida a fatiga, lo que da lugar a errores en la predicción. Como alternativa, en la presente tesis se presenta un modelo de predicción de vida a fatiga específico para aleaciones de aluminio de fundición que tiene en cuenta el efecto de la porosidad en las etapas de iniciación y propagación y con el que se consiguen predicciones con errores logarítmicos menores del 2 %.