Vol 2, Num 2, Julio-Diciembre 2022, pp 115 al 138
ISSN: 2796-9320
Análisis de la estructura de la porosidad de espumas metálicas de aluminio de celda abierta y su influencia sobre las
propiedades mecánicas.
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Recibido: 24 de Marzo 2022 / Aceptado: 04 de Junio 2022 /Publicado: 01 de Julio 2022
Sección: Ciencias de la Ingeniería
Artículo de Investigación Original
https://doi.org/10.55204/trc.v2i2.29
Análisis de la estructura de la porosidad de espumas metálicas de aluminio de celda
abierta y su influencia sobre las propiedades mecánicas
Analysis of the porosity structure of open-cell aluminum metallic foams and its influence on
the mechanical properties
Pablo Ernesto Sarzosa Viera
1 [0000-0002-5157-9433]
, Edison Patricio Abarca Pérez
1 [0000-0001-7041-4805]
, Eliza Verónica
Sailema Sailem
2 [0000-0003-0578-7079]
1
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador
2
Instituto Superior Tecnológico Cotopaxi, Latacunga, Ecuador
1
spablo8802@gmail.com,edison.abarca@espoch.edu.ec,
2
evsailema@istx.edu.ec
Resumen. El ámbito de los materiales está presente en todos los aspectos de nuestra vida cotidiana
y profesional, por lo que día a día se sigue creando, innovando y mejorando nuevos elementos cada
vez con más frecuencia. La calidad de un material depende de varios factores y características a
nivel de ingeniería, producción industrial, etc. Por estos motivos se establece el presente proyecto,
que tiene como objetivo realizar el análisis de la estructura de la porosidad de espumas metálicas de
aluminio obtenidas mediante el método experimental de infiltración, utilizando preformas solubles
de óxido de sodio (Na2O), a diferencia de anteriores métodos en los que se utiliza sal (NaCl). Este
tipo de materiales se utiliza para absorción de energía de impacto, vibraciones y sonido, así como
un aislante térmico en algunas aplicaciones. Se determina el protocolo adecuado para la generación
de estas espumas, con los materiales y equipos, con sus parámetros óptimos, dimensiones y
gráficas. Se realiza la caracterización del poro, con las propiedades mecánicas de compresión y
absorción de impacto, para determinar la relación con el tamaño del poro mediante ensayos,
ecuaciones, gráficas y tablas de valores de cada elemento. Las probetas a generar serán de dos tipos:
de 3mm de tamaño de poro y de 5mm de tamaño de poro. Se concluye que la probeta de 3mm tiene
mejor capacidad de absorción de energía que la probeta de 5mm.
Palabras Clave: Espumas, poros, impacto, caracterización, fundición, infiltración, óxido, sodio,
compresión, absorción, preforma, soluble.
Abstract. The field of materials is present in all aspects of our daily and professional lives, so that
every day we continue to create, innovate and improve new elements more and more frequently.
The quality of a material depends on several factors and characteristics at the level of engineering,
industrial production, etc. For these reasons the present project is established, which aims to carry
out the analysis of the porosity structure of aluminum metallic foams obtained by means of the
experimental infiltration method, using soluble sodium oxide (Na2O) preforms, unlike previous
ones. methods in which salt (NaCl) is used. This type of material is used for absorption of impact
energy, vibrations and sound, as well as a thermal insulator in some applications. The appropriate
protocol for the generation of these foams is determined, with the materials and equipment, with
their optimal parameters, dimensions and graphics. The characterization of the pore is carried out,
with the mechanical properties of compression and impact absorption, to determine the relationship
with the pore size through tests, equations, graphs and tables of values of each element. The
specimens to be generated will be of two types: 3mm pore size and 5mm pore size. It is concluded
that the 3mm specimen has better energy absorption capacity than the 5mm specimen.
Keywords: Foams, pores, impact, characterization, casting, infiltration, oxide, sodium,
compression, absorption, preform soluble.
Como Citar (APA): Sarzosa Viera, P. E., Abarca Pérez, E. P., & Sailema Sailema, E. V. (2022). Análisis de la
estructura de la porosidad de espumas metálicas de aluminio de celda abierta y su influencia sobre las
propiedades mecánicas. Tesla Revista Científica, 2(2), 116–139. https://doi.org/10.55204/trc.v2i2.29
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INTRODUCCIÓN
La importancia de los materiales en desarrollo de la humanidad ha sido resaltada de
manera significativa, en donde el avance de las tecnologías para la obtención natural y
fabricación de materiales ha determinado la evolución de las sociedades. De manera general,
existen materiales para cada aplicación desde elementos utilizados en la vida cotidiana hasta
aplicaciones más específicas.
A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los
materiales en los últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada
vez más sofisticados y especializados. Desde la perspectiva de los materiales se pueden
comentar algunos extremos (Callister, 1995). Se pueden mencionar algunos campos como la
generación de energía mediante fuentes nuevas y económicas. También la preservación de la
calidad del medioambiente requiere la obtención y producción de materiales para el control de
contaminación y una mínima degradación del entorno de donde se extraen. En el caso del
transporte, los materiales cumplen un rol muy significativo, además del consumo de energía
de cualquier tipo. Por eso se busca optimizar la construcción mediante la utilización de
materiales que tengan buenas propiedades de resistencia con baja densidad, así como la
disipación de calor, para que estos vehículos tengan un rendimiento adecuado.
Las espumas metálicas son sólidos celulares artificiales que emulan microestructuras
relativamente comunes en la naturaleza. Las espumas metálicas, especialmente las de célula
abierta, son de amplia aplicación en la industria aeroespacial, naval, ferroviaria, deportiva y
militar por su alta resistencia mecánica en relación al peso (Ashby, y otros, 2000).
Los métodos de sintetización de estas espumas metálicas constituyen un reto para
obtener procesos sistematizados para la obtención de este material. El objetivo de este
proyecto es obtener espumas metálicas de aluminio, en donde se pueda controlar el tamaño de
la porosidad, para que el material tenga una constitución mayormente homogénea. También
se necesita establecer los elementos de control en todas las etapas del proceso, para realizar
una sistematización y poder replicar a futuro con el objeto de realizar ensayos y pruebas que
permitan determinar la influencia de la estructura en la porosidad sobre las propiedades
mecánicas de compresión estática y dinámica.
METODOLOGÍA
A. Tipo y diseño de investigación
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El tipo de investigación será experimental y bibliográfica, ya que se pretende
establecer el posible efecto de una causa que se manipula a través de la experimentación con
la ayuda de bibliografía de referencia como punto de partida para la aplicación de conceptos
en la práctica. Los experimentos manipulan tratamientos, estímulos, influencias o
intervenciones (denominadas variables independientes) para observar sus efectos sobre otras
variables (las dependientes) en una situación de control (Hernández Sampieri, Fernández
Collado, & Baptista Lucio, 2010).
B. Método experimental
En la presente investigación se sintetizan espumas de aluminio de celda abierta
mediante el método de infiltración utilizando preformas solubles (óxido de sodio). En este
método el metal fundido se infiltra entre las preformas solubles, siendo el proceso simple en
el cual se puede controlar de manera regular la estructura final de la porosidad. Todo esto se
coloca en un molde de fundición que será llevado a un horno de mufla, necesario para poder
elevar la temperatura hasta el punto de fusión del aluminio (660°C), empezando la infiltración
alrededor de los granos de óxido de sodio. Estos granos al tener un punto de fusión más
elevado (1132°C), no tendrán ningún problema al poder resistir hasta que el aluminio fundido
infiltre alrededor de la preforma. Al final, la preforma se disuelve mediante agua, obteniendo
una probeta solamente de aluminio con una estructura porosa. Para realizar todo el proceso,
adicionalmente al molde de fundición, la preforma y el horno de mufla, se necesitan otros
materiales y equipos como un tanque de argón, una bomba de vacío, tuberías de acero
inoxidable, válvulas y manómetros.
Figura 13. Esquema del equipo para obtener espumas metálicas de celda abierta
Elaborado por: Los Autores
C. Materiales y equipos.
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Los materiales y equipos utilizados para la obtención de las espumas de aluminio por
el método de infiltración a base de preformas de óxido de sodio se detallan a continuación.
Aluminio
El metal utilizado para la infiltración es aluminio al 99% de pureza, de 50mm de
diámetro y 30mm de longitud, verificando su composición en el espectrómetro con los
siguientes resultados:
Figura 14. Aluminio de alta pureza
Elaborado por: Los Autores
Tabla 5.
Composición del aluminio
Elaborado por: Los Autores
Preforma
Elemento
Porcentaje
Promedio
Si
%
0.218
Fe
%
0.225
Cu
%
0.238
Mn
%
0.0095
Mg
%
0.048
Cr
%
0.0032
Ni
%
0.013
Zn
%
0.024
Ti
%
0.0057
Pb
%
<0,050
Sn
%
0.007
V
%
< 0,0030
Sr
%
0.003
Zr
%
< 0,0020
Cd
%
< 0,0050
Co
%
< 0,0030
B
%
< 0,0010
Ag
%
< 0,0010
Bi
%
< 0,0060
Ca
%
0.030
Al
%
99.14
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La preforma a utilizar es óxido de sodio (Na2O), en forma de granos esféricos con
dimensiones de 3mm y 5mm. Los datos de la preforma y el fabricante son:
Tabla 6.
Características de la preforma
Fórmula
Na
2
O
Peso molecular
61.97
Apariencia
Yellow Crystalline Solid
Punto de fusión
1,132° C (2,070° F)
Punto de ebullición
1,950° C (3,542° F)
Densidad
2.27 g/cm
3
Solubilidad in H2O
N/A
Masa molar
61.974453 g/mol
Elaborado por: Los Autores
Molde de fundición
Para la generación de la espuma de aluminio de celda abierta se necesita un molde que
contenga la preforma y el aluminio, con la principal característica de poder contener de
manera hermética los elementos durante la fundición e infiltración del metal. Para este efecto
se establece un molde fabricado en acero inoxidable AISI 304, cuyas propiedades cumplen
con la misión para este proceso.
Figura 15. Molde de fundición.
Elaborado por: Los Autores
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Horno eléctrico de mufla
Un tocho extraído de la barra cilíndrica de aluminio de alta pureza (previamente
generada por moldeo), se funde dentro del molde cilíndrico, para lo cual se utiliza un horno
mufla eléctrico con control digital especialmente fabricado para este proyecto. Se elige este
tipo de horno debido a que permite tener un alto grado de control de la temperatura en el
proceso.
Figura 16. Horno eléctrico de mufla modelo 4-9 Samothermal
Elaborado por: Los Autores
Tabla 7.
Características del horno
Descripción
Detalle
Medidas internas de cámara del horno
Alto 23 cm; Ancho 18 cm; Profundidad 18 cm.
Medidas externas del horno
Alto 35 cm; Ancho 30 cm; Profundidad 30 cm.
Material de cámara interna
Ladrillos refractarios de alta alúmina
Temperatura máxima de trabajo
1200 °C
Temperatura continua de trabajo
1100 °C
Voltaje
220 V (bifásico)
Amperaje
15 A
Potencia
3300 W
Número de fases
1
Tipo de termocupla
Tipo K con revestimiento cerámico
Controlador de temperatura
Model K
Elaborado por: Los Autores
Bomba de vacío
Dentro del método experimental se requiere que dentro del molde se genere un vacío,
para permitir la infiltración adecuada del metal fundido entre los granos de óxido de sodio.
Para el efecto se usa una bomba de alto vacío.
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Figura 17.Bomba de vacío QUALITY Model QVP 800.
Elaborado por: Los Autores
Tanque de gas argón
Para que la infiltración dentro del método experimental funcione, se debe agregar gas
argón para generar una presión positiva dentro del molde de fundición y de este modo el
metal fundido pase a ocupar el espacio entre los granos de óxido de sodio.
Figura 18. Tanque de gas argón.
Elaborado por: Los Autores
Sistema de válvulas
Para generar el vacío mediante la bomba y también para introducir el gas argón dentro
del molde de fundición se necesita un sistema de válvulas para la apertura y cierre del paso de
cada proceso. La válvula 1 va conectada a la bomba de vacío, la válvula 2 va conectada
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directamente a la entrada del molde entre la válvula 1 y válvula 3, y la válvula 3 va conectada
al tanque de gas argón.
Figura 19. Sistema de válvulas
Elaborado por: Los Autores
Láminas de grafito
Las láminas de grafito mantienen el molde de fundición sellado y hermético, siendo su
característica principal conjuntamente con su capacidad de soportar elevadas temperaturas,
resistente a la corrosión y apto para presiones de vacío.
Figura 20. Láminas de grafito
Elaborado por: Los Autores
Pirómetro
En este método experimental utiliza un horno de mufla a temperaturas de hasta 700°C,
considerando que la termocupla del horno mide la temperatura dentro del mismo, sin
embargo, esa temperatura no es igual a la del molde de fundición. Para poder controlar la
temperatura interna del molde, se utilizará el pirómetro para medir esa temperatura, tratando
de iterar la temperatura alcanzada por el horno y el molde para lograr una infiltración
adecuada del metal entre los espacios de los granos del óxido de sodio.
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Figura 21. Pirómetro para la medición de la temperatura del molde
Elaborado por: Los Autores
D. Protocolo experimental
En este método experimental se deben considerar las siguientes etapas: preparación de
la preforma y molde, precalentamiento del horno, infiltración, solidificación, maquinado,
lixiviación, obtención de la espuma metálica.
Preparación de la preforma y el molde
Para la preparación de la preforma dentro del molde se coloca una lámina de grafito en
la base del molde, con el objetivo de sellar la parte inferior. Posteriormente, se colocan los
granos de óxido de sodio dentro del molde de fundición a una altura de 3 a 4 centímetros,
verificando que la preforma quede uniformemente distribuida.
Figura 22. Lámina de grafito en la base
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Figura 23. Preparación de la preforma en el molde
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Se coloca el cilindro de aluminio encima de la preforma, nivelado en la parte superior.
En la tapa del molde, se coloca una lámina de grafito con el objetivo de obtener un sellado
completo. La tapa se coloca en la parte superior del molde, ajustando los 4 pernos para el
efecto lo suficientemente apretado para que no existan fugas durante la infiltración. Se utiliza
la bomba de vacío para verificar que exista un sellado adecuado en el sistema.
Figura 24. Colocación del aluminio en el molde
Elaborado por: Los Autores
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Figura 25. Sellado del molde
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Precalentamiento del horno
Se coloca el molde dentro del horno de mufla con el sistema de válvulas conectada,
manteniendo abiertas la válvula 1 y válvula 3 para que mientras el horno se precalienta hasta
los 400°C, el óxido de sodio pueda perder humedad. Posterior a alcanzar esa temperatura, se
realiza el cierre de las válvulas anteriormente abiertas para continuar con el proceso.
Figura 26. Precalentamiento del horno
Elaborado por: Los Autores
Infiltración
Para esta etapa, después del precalentamiento del horno se calibra la velocidad de
calentamiento a 10°C/min, colocando también una temperatura constante cuando alcance los
780°C durante 1 hora. Posterior a eso, se realiza la infiltración abriendo la válvula 3 que está
conectada al tanque de gas argón, e inmediatamente se abre la válvula 2 que va directamente
al molde de fundición durante unos 30 segundos.
Solidificación
Se debe extraer el molde del horno de mufla desconectando el sistema de válvulas,
para realizar un enfriamiento del sistema. Generalmente ese enfriamiento tarda unos 30
minutos a temperatura ambiente para que el molde pueda ser manipulado y la probeta pueda
ser extraída del molde.
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Figura 27. Extracción del molde
Elaborado por: Los Autores
Figura 28. Enfriamiento del molde
Elaborado por: Los Autores
Maquinado
Para esta etapa, la probeta extraída del molde debe cortarse para poder obtener un
cilindro uniforme de un diámetro de 55mm de diámetro y 35mm de longitud.
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Figura 29. Probeta extraída y maquinada
Elaborado por: Los Autores
Lixiviación y espuma metálica
La probeta extraída en la etapa anterior aun contiene la preforma soluble, por lo tanto,
deberá colocarse en un recipiente de agua y calentarlo para que el óxido de sodio pueda
disolverse y obtener la probeta de espuma de aluminio de celda abierta.
Figura 30. Espumas de aluminio de celda abierta de 3mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
Figura 31. Espumas de aluminio de celda abierta de 5mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
RESULTADOS
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Después de obtener las probetas de espumas de aluminio de celda abierta, se procede a
realizar el análisis de la forma estructural del poro, el ensayo de compresión y el ensayo
dinámico de compresión para determinar las características del material. Las espumas de
aluminio obtenidas fueron de 3mm y 5mm de diámetro, en un total de 4 probetas de cada
medida. Posteriormente se determina el módulo de elasticidad del material, así como la
energía absorbida mediante ensayos de compresión dinámica.
Densidad relativa
La densidad relativa es una propiedad que permite establecer el tipo de material,
siendo un sólido poroso cuando esta cantidad es mayor a 0.3, mientras que si el valor es
menor a 0.3 se consideran como sólidos celulares. La ecuación que permite calcular la
densidad relativa es:
𝜌
𝑟
=
𝜌
𝜌
𝑠
Donde ρ es la densidad del material celular, y ρ_s es la densidad del material base.
Considerando que la densidad de la espuma obtenida es 1.78g/cm3 y la densidad del aluminio
es 2.7g/cm3, reemplazando en la ecuación se obtiene:
𝜌
𝑟
=
1.78𝑔 ∕ 𝑐𝑚
3
2.7𝑔 ∕ 𝑐𝑚
3
𝜌
𝑟
= 0.66
Esto quiere decir que el material es un sólido poroso.
Estructura y tamaño de poro
Para realizar el análisis de la estructura y tamaño del poro se realizó un
seccionamiento de manera longitudinal en una probeta de cada tamaño de poro. Para este
seccionamiento se debe tener mucho cuidado, ya que, al utilizar herramientas de corte, se
debe precautelar que la estructura de la espuma metálica de celda abierta no sufra daños
significativos.
Figura 32. Probeta seccionada de 3mm de tamaño de poro
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Elaborado por: Los Autores
Figura 33. Probeta seccionada de 5mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
Para el análisis morfológico se toma en cuenta las macrografías obtenidas de las
probetas de 3mm y 5mm seccionadas, considerando su diámetro medio, determinando un
promedio de sus mediciones y considerando la desviación estándar de las cantidades.
Figura 34. Macrografías probeta 3mm de tamaño de poro
Elaborado por: LosAutores
Figura 35. Macrografías probeta 5mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
Tabla 8. Diámetro de las espumas de aluminio
3mm de tamaño de poro
5mm de tamaño de poro
Perímetro
(mm)
Diámetro medio
(mm)
Perímetro
(mm)
Diámetro medio
(mm)
9.32
2.93
16.45
5.24
10.79
3.39
14.57
4.64
10.22
3.21
17.04
5.42
8.94
2.81
14.80
4.71
9.76
3.07
14.23
4.53
9.19
2.89
15.86
5.05
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130
10.06
3.16
16.75
5.33
8.76
2.75
15.48
4.93
9.35
2.94
15.10
4.81
10.34
3.25
15.27
4.86
9.91
3.11
14.81
4.71
10.78
3.39
14.47
4.61
9.44
2.96
15.48
4.93
9.03
2.84
17.04
5.42
9.33
2.93
14.68
4.67
10.34
3.25
16.53
5.26
Media
3.055
Media
4.945
Desviación
estándar
0.203
Desviación
estándar
0.304
CV
6.648
CV
6.148
Elaborado por: Los Autores
También se determinó el espesor del ligamento mediante la medición al azar de los
poros que están mejor configurados, obteniendo los siguientes resultados:
Tabla 9.
Espesor de ligamentos de las espumas de aluminio
Tamaño
3mm de tamaño de poro
5mm de tamaño de poro
N°
Espesor
axial
(mm)
Espesor
radial
(mm)
Espesor
axial
(mm)
Espesor
radial
(mm)
1
3.38
2.49
1.22
4.79
2
2.75
2.06
1.17
3.28
3
2.06
1.42
0.55
2.82
4
1.72
1.42
0.94
4.18
5
2.75
3.12
1.77
4.8
6
1.78
2.13
0.78
3.84
7
3.29
1.96
0.94
3.51
8
2.94
3.64
1.55
4.14
9
2.74
3.29
0.93
5.69
10
3.87
2.94
1.11
4.96
11
2.98
1.78
0.77
6.96
12
2.67
2.48
1.32
5.72
13
2.88
3.02
1.61
5.53
14
1.9
3.46
1.41
6.4
15
2.59
2.58
0.81
3.55
16
3.38
2.96
0.96
4.94
Media
2.73
2.547
1.115
4.694
Desviación
estándar
0.615
0.7
0.343
1.168
CV
22.524
27.485
30.803
24.88
Elaborado por: Los Autores
Resultados del ensayo de compresión uniaxial
De la realización de los ensayos de compresión uniaxial en la máquina universal se
obtuvo las siguientes gráficas:
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Figura 36. Curva de fuerza – deformación para la probeta de 3mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
Figura 37. Curva de fuerza – deformación para la probeta de 5mm de tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
De la realización de los ensayos de compresión uniaxial en la máquina universal se
obtuvieron las gráficas de fuerza – deformación anteriores, identificando una curva con 3
zonas principales: la zona 1 identifica la región lineal del material con comportamiento
elástico, la zona 2 corresponde al límite de cedencia del material en donde comienza el
comportamiento plástico, y llegando a la zona 3 se produce un endurecimiento por
deformación del material, debido a que esa deformación genera el reacomodamiento y
densificación de la espuma de aluminio, aumentando su resistencia.
Los datos de los ensayos de compresión realizados se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 10.
Resistencia a la compresión de las probetas
Número de
ensayo
Fuerza soportada
Probeta de 3mm
de porosidad (Kg)
Fuerza soportada
Probeta de 5mm
de porosidad (Kg)
1
3063.023
4250.237
2
3175.435
4002.519
3
2920.124
3990.124
Promedio
3052.861
4080.96
Desviación
estándar
127.959
146.729
CV
4.191
3.595
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Después de realizar los ensayos se llegó a determinar que la probeta de 3mm de
tamaño de poro llegó a soportar hasta 3 toneladas antes de iniciar una falla. Luego en la
probeta de 5mm de tamaño de poro, se llegó a determinar una resistencia de 4 toneladas, antes
de iniciar una falla debido a su rigidez.
Tomando en cuenta el análisis de la morfología de las espumas de aluminio y los datos
del ensayo de compresión en las probetas de espuma de aluminio de celda abierta,
considerando que los poros se generan aleatoriamente, se identifica el comportamiento de la
resistencia del nuevo material generado con los datos de la siguiente tabla:
Tabla 11.
Morfología y resistencia de las espumas
Probeta
Poro
Ligamento
Resistencia
Perímetro
promedio
(mm)
Diámetro
promedio
(mm)
Espesor axial
promedio
(mm)
Espesor radial
promedio
(mm)
Límite
proporcional
(Kg)
Probeta de 3mm
9.72
3.06
2.73
2.55
3052.861
Probeta de 5mm
15.54
4.94
1.12
4.69
4080.96
Elaborado por: Los Autores
De acuerdo a estos resultados se puede identificar que la espuma de aluminio de 3mm
de diámetro de poro tiene una morfología uniforme en el espesor del ligamento tanto axial
como radial, en comparación de la espuma de aluminio de 5mm de diámetro en donde el
espesor del ligamento es menor en sentido axial. La uniformidad de los ligamentos es
favorable para poder Por este motivo, aunque esta última espuma tuvo mayor resistencia, se
produjo una falla catastrófica por falta de uniformidad.
Resultados del ensayo de impacto Charpy
Para complementar los resultados de las propiedades mecánicas de las probetas, se
realizaron ensayos de impacto Charpy para determinar la cantidad de energía absorbida
durante la flexión por impacto de la espuma de aluminio, realizados en el Centro de Fomento
Productivo Metalmecánico Carrocero, con los resultados mostrados en la siguiente tabla.
Tabla 12.
Energía absorbida mediante ensayo Charpy en probeta de 3mm de poro
Número de ensayo
Energía absorbida (J)
1
1.33
2
1.33
3
1.33
Promedio
1.330
Desviación estándar
0.000
CV
0.000
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Tabla 13. Energía absorbida mediante ensayo Charpy en probeta de 5mm de poro
Número de ensayo
Energía absorbida (J)
1
4.69
2
4.14
3
4.91
Promedio
4.580
Desviación estándar
0.397
CV
8.660
Elaborado por: Los Autores
Figura 38. Probetas de 3mm y 5mm de tamaño de poro para ensayo Charpy
Elaborado por: Los Autores
Ensayo de compresión dinámica
En el ensayo de compresión dinámica se establece un péndulo de impacto para
determinar la cantidad de energía absorbida por las probetas de espumas de aluminio de celda
abierta. El proceso realizado fue mediante el péndulo, soltado a una altura de 30° con respecto
a la vertical, para poder determinar el ángulo de rebote del mismo.
Figura 39. Péndulo de impacto para ensayo de compresión dinámica
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Figura 40. Colocación del péndulo a 30°
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Se puede medir la cantidad de energía absorbida por cada probeta, visualizando el
ángulo de rebote del péndulo. Posterior a cada uno de los ensayos en las probetas de las
espumas de aluminio, se determinó que la probeta de 3mm de tamaño de poro generó un
rebote de 10 grados, mientras que en la probeta de 5mm de tamaño de poro generó un rebote
de 15 grados aproximadamente. Se puede verificar en las probetas ensayadas que la de 3mm
de tamaño de poro absorbió más energía que la de 5mm de tamaño de poro.
Figura 41. Probeta ensayada 3mm tamaño de poro
Elaborado por: Los Autores
Figura 42. Probeta ensayada 5mm tamaño de poro
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Cantidad de energía absorbida en el ensayo de compresión dinámica
El péndulo de impacto se utilizó para cuantificar la energía absorbida por las probetas,
en el ensayo de compresión dinámica. Aquí se utiliza la ley de la conservación de la energía
mecánica y las consideraciones del péndulo simple, en donde se van a tener 3 escenarios o
etapas en el ensayo. El primer escenario es en donde se mide el ángulo inicial del péndulo,
para calcular la energía potencial inicial. En el siguiente escenario, antes de que el péndulo
impacte a la probeta, se calcula la velocidad antes del choque. Y en el último escenario,
después del impacto se puede identificar que el péndulo regresa a una cierta inclinación.
Figura 43. Esquema del ensayo con el péndulo de impacto
Elaborado por: Los Autores
El proceso realizado fue mediante el péndulo, soltado a una altura de 30° con respecto
a la vertical, para poder determinar el ángulo de rebote del mismo. Se puede medir la cantidad
de energía absorbida por cada probeta, visualizando el ángulo de rebote del péndulo.
Tabla 14.
Ángulo de rebote mediante ensayo a compresión dinámica
Número de ensayo
Ángulo de rebote β
Probeta de 3mm de
porosidad
Ángulo de rebote β
Probeta de 5mm de
porosidad
1
17.745
19.144
2
17.701
19.236
3
17.612
18.891
Promedio
17.686
19.090
Desviación
estándar
0.068
0.179
CV
0.383
0.936
Elaborado por: Los Autores
Posterior a todos los ensayos en las probetas de las espumas de aluminio, se determinó
que la probeta de 3mm de tamaño de poro generó un rebote de 17.686 grados, mientras que en
la probeta de 5mm de tamaño de poro generó un rebote de 19.090 grados. Con la siguiente
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ecuación se puede obtener la cantidad de energía absorbida por la probeta, ingresando los
ángulos de inclinación inicial y final, α y β, respectivamente.
𝐸
1
= 𝑚 𝑔 𝑅
(
cos 𝛽 − cos 𝛼
)
Es así que mediante la aplicación de la ecuación para la energía absorbida se
determinaron los siguientes resultados:
Tabla 15.
Energía absorbida a compresión dinámica
Tamaño
Probeta de 3mm de
porosidad
Probeta de 5mm de
porosidad
Número de
ensayo
Energía absorbida E
1
(J)
Energía absorbida E
1
(J)
1
1112.415
1012.950
2
1115.425
1006.155
3
1121.492
1031.477
Promedio
1116.444
1016.861
Desviación
estándar
4.623
13.106
CV
0.414
1.289
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Se puede identificar que mientras más amplitud tenga el rebote luego del impacto, menos
cantidad de energía es absorbida por la probeta. Esto se puede comprobar en la tabla anterior,
utilizando la ecuación de la energía 1, para calcular la cantidad de energía absorbida por cada
probeta, en donde la probeta de 3mm de diámetro de poro, absorbe más cantidad de energía
que la probeta de 5mm de diámetro de poro.
DISCUSIÓN
Las espumas metálicas de aluminio de celda abierta pueden ser obtenidas teniendo
como referencia tamaños de porosidad de 3mm y 5mm de diámetro, considerando que se debe
utilizar aluminio de alta pureza (99% de aluminio) y la preforma soluble de óxido de sodio,
sustituyendo así la de sal que tenía la limitante de un menor punto de fusión y la sinterización
producida por la humedad, especificada en algunas investigaciones aquí mencionadas.
Se establecieron todos los elementos necesarios para la ejecución del proceso
experimental como la preforma soluble, el metal no ferroso (aluminio de alta pureza), el
molde de fundición para colocar la preforma y el aluminio, los elementos adicionales como
las láminas de grafito que sirven para sellar herméticamente el molde, la bomba de vacío para
verificar el sellado del molde, el tanque de gas argón para inducir la infiltración del metal en
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la preforma soluble y el horno eléctrico de mufla que es el más adecuado para el control de
temperatura.
CONCLUSIONES
Para la obtención de las espumas metálicas de aluminio de celda abierta se requieren
de varios factores o condiciones importantes como el control de la temperatura durante el
proceso de precalentamiento e infiltración, esto debido a que el horno eléctrico de mufla tenía
la posibilidad de programar una temperatura de precalentamiento y de fundición que se
mantenía constante durante el tiempo que se requería. En otros tipos de hornos tendrían las
limitaciones de no poder mantener la temperatura constante o de no ser tan eficientes como
uno eléctrico.
La estructura de la porosidad es homogénea en la espuma de aluminio de 3mm de
diámetro de porosidad, pero en el de 5mm de diámetro de porosidad la estructura no fue
homogénea, generando ligamentos delgados en dirección radial de acuerdo al análisis de
morfología. En los ensayos de compresión, debido al espesor de los ligamentos, la probeta de
3mm de porosidad con ligamentos homogéneos obtuvo una resistencia de 3 toneladas hasta
antes de la falla, mientras que la probeta de 5mm de porosidad con ligamentos no
homogéneos obtuvo una resistencia de 4 toneladas. Debido a que el proceso es experimental y
se puede mejorar a futuro, ubicando elementos de control más precisos, teniendo en cuenta
también la forma del molde, ya que, si tuviera un desahogo de metal en la parte inferior, la
infiltración sería mucho más homogénea. También la variación se debe a la densidad y
temperatura del proceso, los granos de óxido de sodio tienden a tratar de reubicarse o flotar, lo
que hizo que se separaran un poco los poros.
La relación existente entre el tamaño de poro y las propiedades mecánicas de
compresión y absorción de impactos se establece mediante la interpretación de los resultados
obtenidos en los ensayos, donde la probeta con un tamaño de poro menor tiene una mejor
absorción de energía, mientras que la de tamaño mayor, tiende a ser más rígido, por lo que la
falla en este último llega a ser similar a la de un material frágil.
REFERENCIAS
Abarca Pérez, E. P. (2017). Síntesis de espumas metálicas de aluminio de celda abierta.
Quito: Escuela Politécnica Nacional.
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Ashby, M., Evans, T., Fleck, N., Hutchinson, J., Wadey, H., & Gibson, L. (2000). Metal
Foams: A Design Guide.
Askelnad, D. (1998). Ciencia e Ingeniería de los materiales. México: Thomson Editores.
Callister, W. (1995). Introducción a la Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Barcelona:
Editorial Reverté, S.A.
Elizondo Luna, E. M., Barari, F., Woolley, R., & Goodall, R. (2014). Casting Protocols for
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Gutiérrez-Vázquez, J. A., & Oñoro, J. (2008). Espumas de aluminio. Fabricación, propiedades
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Hernández Sampieri, R., Fernández Collado, C., & Baptista Lucio, P. (2010). Metodología de
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Irausquín Castro, I. A. (2012). Caracterización mecánica de espumas metálicas y su
aplicación en sistemas de absorción de energía. Leganés: Universidad Carlos III de
Madrid.
Shakelford, J. (2005). Introducción a la ingeniería de materiales para ingenieros. Madrid:
Pearson Educación S.A.
Ucar, M., & Cengiz, A. (2010). ‘‘Crash Pendulum’’ Energy Absorption Test System. Kocaeli.
Vallejo, C., Chicaisa, D., & Sotomayor, O. (2017). Un Nuevo Método para la Fabricación de
Espumas Metálicas Aleatorias de Célula Abierta con Regularidad Controlada. Revista
Politécnica.
FINANCIACIÓN
Los autores no recibieron financiación para el desarrollo de la presente investigación.
CONFLICTO DE INTERESES
Los Autores declaran que no existe conflicto de intereses
CONTRIBUCIÓN DE AUTORÍA
Autor
Sarzosa Viera, P. E.,
Abarca Pérez, E. P.,
Sailema Sailema, E. V.
Participar activamente en:
Planificación y diseño
X
Adquisición de fondos
X
Administración del proyecto
X
Redacción –borrador original
X
X
Redacción –revisión y edición
X
X
Interpretación y validación de resultados
X
X
X
La discusión de los resultados
X
X
X
Revisión y aprobación de la versión final del trabajo.
X
X
X
RECONOCIMIENTO A REVISORES:
La revista reconoce el tiempo y esfuerzo del editor de sección Cristian Rocha Jácome, y de revisores anónimos que dedicaron su
tiempo y esfuerzo en la evaluación y mejoramiento del presente artículo.
