¡Descarga Ensayo de Termofluencia y más Apuntes en PDF de Materiales solo en Docsity!
4.9 Ensayo de termofluencia
I. Introducción Algunos materiales en servicio se encuentran sometidos a esfuerzos sub elásticos estacionarios durante largos periodos de tiempo. Se ha comprobado que, en estas condiciones y por encima de una temperatura determinada, tiene lugar una deformación plástica gradual y continuada del material que puede conducir al fallo e incluso a la fractura. Este fenómeno se conoce con el nombre de termofluencia, también denominado fluencia en ca limite, fluencia lenta o simplemente fluencia (creep en inglés). En 1833, M. Vicat llevó a cabo los primeros experimentos para el estudio de este fenómeno. Desde entonces se ha observado el fenómeno de la termofluencia a distintas temperaturas y en distintos materiales. Como ejemplo, mencionar que se ha observado termofluencia a temperatura ambiente en tuberías de plomo que ceden lentamente bajo la tensión derivada de su propio peso, o el aumento del grosor de la parte inferior de las láminas de plomo que han sido utilizadas durante siglos como cubiertas de iglesias. En este caso, el fenómeno de termofluencia se ha venido produciendo durante largos periodos de tiempo y en metales como el plomo cuyo punto de fusión está cerca de la temperatura am ambiente. Para metales con punto de fusión comparativamente alto, el fenómeno descrito no se observa a temperatura ambiente, pero si a temperaturas suficientemente elevadas. Un comportamiento similar se ha detectado en polímeros termoplásticos o vidrios cerámicos que trabajan a temperaturas cercanas o superiores a la denominada temperatura de transición vítrea. El polietileno y el polipropileno son algunos de los materiales poliméricos que presentan termofluencia a temperatura ambiente. A partir de la segunda mitad del siglo XX, el desarrollo tecnológico demandó materiales que presentan una mayor resistencia mecánica y química a temperaturas elevadas para utilizarlos en calderas de generación de vapor, turbinas de vapor recalentado, genera dores y cambiadores de calor de gases calientes, hornos industriales y, sobre todo, reactores nucleares y turbinas de gases y cohetes. En algunas de estas aplicaciones los materiales llegan a trabajar a temperaturas superiores a los 1000°C y, en estas condiciones, el fenómeno de la termofluencia puede limitar seriamente la vida en servicio o limitar sustancial mente el número de materiales aptos para estas aplicaciones, sin desdeñar el enorme peligro potencial en caso de fallo. Por tanto, durante la selección de materiales y el diseño de componentes destinados a trabajar a temperaturas elevadas es necesario conocer la deformación real que experimentará un material a las condiciones de tensión aplicada y temperatura de trabajo para que los componentes fabricados sean geométricamente compatibles con el resto del equipo durante toda su vida en servicio. Igualmente, es necesario conocer el tiempo de fractura (tr) de ese material cuando está sometido a una tensión y temperatura determinadas para evitar el fallo del equipo
De las consideraciones anteriores se desprende que las variables a considerar en el fenómeno de termofluencia son: El esfuerzo (tensión) mecánico aplicado, siempre inferior al límite de cedencia La temperatura. El tiempo de utilización, que habitualmente es largo, Aunque a menudo se utilice el término "temperatura elevada" o "temperatura suficientemente elevada" como factor a considerar en procesos de termofluencia, este término es ambiguo y debe utilizarse el término temperatura homóloga que es un parámetro adimensional definido como la relación entre la temperatura de servicio y la temperatura del punto normal de fusión ambas expresadas en grados Kelvin. En metales y aleaciones, el fenómeno de la termofluencia comienza a ser importante para temperaturas homologas superiores a 0.4, es decir, cuando la temperatura de servicio está próxima a la temperatura de recristalización de estos materiales (Imagen 3.1), mientras que en las cerámicas el fenómeno empieza a ser importante a temperaturas homologas superiores a 0.5. Así, para el plomo, que tiene un punto de fusión de 327.5°C, equivalente a 600.7 °K, la temperatura a partir de la que se produce termofluencia será: 600.7 ( 0.4 )= 240 ° K =− 33 ° C Se justifica, así, que el plomo presente termofluencia a temperatura ambiente. Por este mismo motivo, es razonable pensar que los materiales que deban evitar el fenómeno de termofluencia sean aleaciones de Nb, Mo, Ta o W (metales de muy alto punto de fusión), materiales cerámicos o materiales compuestos de matriz metálica y matriz cerámica.
sencillo, en realidad exige tomar numerosas precauciones y disponer de un equipo de regulación, indicación y control robusto y estable, puesto que el ensayo puede llegar a durar años. La norma describe la tolerancia entre las distintas partes del sistema de calefacción según sea el rango de temperaturas de ensayo, la frecuencia de calibración de los equipos y los requerimientos en el sistema de medida de alargamiento para que no esté influido por la fluctuación de la temperatura am ambiente o las corrientes de aire. En materiales poliméricos, los ensayos de termofluencia pueden realizarse a tracción uniaxial siguiendo un procedimiento muy similar al descrito anteriormente o en ensayos a flexión. En este último caso, el ensayo se realiza sobre una barra apoyada libre mente sobre dos soportes a la que se aplica una determinada carga en el punto central (Imagen 2.1.1 b). En este tipo de materiales es habitual realizar el ensayo después de haber acondicionado las probetas a una temperatura, grado de humedad o atmósfera preestablecidas que se mantienen durante todo el ensayo. Por esta razón los equipos de ensayo deberán controlar estas condiciones dentro de las tolerancias establecidas en las normas de ensayo. Igualmente, las normas describen el procedimiento de medida del alargamiento producido que puede realizarse de forma continua sin interrumpir el ensayo, o bien a intervalos preestablecidos, pero sin descargar la fuerza aplicada.
IV. Preparación de superficie Las áreas partes se limpian y se giran, la rugosidad o aspereza tiende a distorsionar el resultado. La preparación pasa por el desmontaje del área parte de conjunta obturación y cobertura de los orificios que pueden ser dañadas. La limpieza previa del área puede ser con agentes alcalinos desengrasado al vapor concurso de disolventes, mediante la limpieza ultra sonido, limpieza al vapor, mediante la limpieza mecánica y eliminación de pintura. V. Pruebas de termofluencia Como se dijo al principio, la termofluencia es una deformación en función del tiempo. Así, el ensayo de termofluencia, en principio, es relativamente sencillo y consiste en someter al espécimen de prueba a un esfuerzo constante y temperatura elevada. La atmósfera de prueba debe ser de preferencia inerte para evitar interferencias por oxidación excesiva. El calentamiento es por lo regular obtenido colocando el espécimen de prueba dentro de un horno y la carga es aplicada con un sistema de palanca con pesos muertos, diseñado para que, al alargarse el espécimen de prueba, el brazo de palanca disminuya, reduciendo con esto la carga y compensando el adelgazamiento del espécimen, de manera que el esfuerzo permanezca constante. La Imagen 3.1 muestra este arreglo.
microestructura y los defectos han alcanzado un estado de equilibrio dinámico, la velocidad de deformación disminuye a un valor estable.
- Termofluencia secundaria. El equilibrio alcanzado entre los mecanismos de generación de dislocaciones y vacancias y mecanismos de aniquilación de dislocaciones, lleva a una velocidad de deformación constante.
- Termofluencia terciaria. Los cambios en la microestructura pro mueven una mayor deformación con un menor endurecimiento por deformación. Este proceso por lo general se localiza en una sección de la pieza, provocando la formación de una constricción o cuello. En esta ocurre también un daño severo en los límites de grano. Este daño consiste en la formación de cavidades, que al crecer e interconectarse provocan la fractura intergranular del material. Sabemos que cuando un material alcanza su esfuerzo de cedencia en tensión uniaxial, comenzará a deformarse plásticamente. Sin embargo, en situaciones prácticas es muy común que el material se encuentre bajo un estado combinado de esfuerzos y la deformación plástica puede ocurrir a un esfuerzo diferente al esfuerzo de cedencia en tensión uniaxial. A la manera de calcular si existe cedencia bajo un estado combinado de esfuerzos se le llama criterio de cedencia. Este debe ser un invariante, porque no debe depender de la orientación y debe eliminar el esfuerzo hidrostático, ya que este no causa deformación. Existen dos criterios de cedencia principales y se describen a continuación. Criterio de Tresca El criterio de Tresca o del esfuerzo cortante máximo establece que la deformación plástica iniciará cuando el esfuerzo cortante máximo rebase un valor critico (k). Para un estado cualquiera de esfuerzos, el esfuerzo cortante máximo está dado por la diferencia entre el esfuerzo principal máximo y el mínimo, como muestra el círculo de Mohr y que está dado por: τ (^) max = σ 1 − σ 2 2 = κ Para encontrar el valor de k se aplica el criterio para el caso de tensión uniaxial El esfuerzo principal máximo es: σ^ 1 = σ 0 Los otros esfuerzos principales valen: σ^ 2 = σ 3 =^0 Entonces: τ (^) max = σ (^) 0 2 = κ
Por tanto, el criterio de Tresca es: σ (^) 1 − σ 3 = σ 0 Criterio de Von Mises Este criterio establece que la cedencia inicia cuando el valor del esfuerzo efectivo sea mayor que un valor critico dado por k^2. El esfuerzo efectivo es la segunda invariante del tensor de esfuerzos y está dado por: 1 6 [(^ σ 1 − σ 2 ) 2
2
2 ] De nuevo k es evaluada a partir del caso de tensión uniaxial, donde los esfuerzos principales son: σ (^) 1 = σ 0 ≫ σ 2 = σ 3 = 0 Sustituyendo: σ (^) 0 =(^3 ) 1 2 ( κ ) Lo que hace que el criterio de Von Mises sea: σ (^) 0 =
√^2 √( σ 1 − σ 2 ) 2 +( σ 2 − σ 3 ) 2 +( σ (^) 3 − σ (^) 2 ) 2 El criterio de Tresca es el más empleado para el análisis y diseño de estructuras por ser más sencillo y por predecir que los esfuerzos que producen cedencia son menores, lo que da un margen de seguridad adicional. El criterio de Von Mises, es más exacto y tiene la ventaja de que no requiere el cálculo de esfuerzos principales si se usa su ecuación general. σ (^) 0 =
√^2 √( σ^ xx − σ^ yy ) 2 +( σ (^) xx − σ (^) zz ) 2 +( σ (^) yy − σ (^) zz ) 2
- 6 ¿ ¿ La interpretación física de los criterios de cedencia es la siguiente:
En la imagen 3.4 se puede comparar con datos experimentales lo siguiente: Aquí se demuestra que el criterio de Von Mises es más exacto que el criterio de Tresca, pero también es más complicado. Una ventaja más del criterio de Tresca es que ofrece valores conservadores, es decir, predice que la cedencia ocurrirá antes de lo que realmente ocurre y esto da un margen de seguridad. Los criterios de cedencia son de gran importancia práctica, ya que nos permiten saber cuándo un material comienza a deformarse plásticamente, a partir de un dato que es o, o bien determinar el valor de o para que exista cedencia. Básicamente se tienen dos casos:
- En el diseño para determinar los esfuerzos máximos permisibles y seleccionar el material para que no exista deformación plástica y así evitar que la pieza se distorsione y funcione de manera incorrecta, provocando incluso una falla.
- En los procesos de conformado, tales como laminación, forja, extrusión, troquelado, etc., los criterios de cedencia se aplican para determinar las cargas de conformado y seleccionar las combinaciones de esfuerzos más eficaces. VI. Limitaciones Para que un material sea resistente a la termofluencia el primer requisito sería tener una alta temperatura de fusión o que se trate de un material compuesto en el que dicha propiedad se halla visto mejorada exponencialmente VII. Conclusiones Cuando la temperatura de un material aumenta, el límite térmico de deformabilidad de este disminuye. El ensayo de termo fluencia se hace con una carga constante no variable. El tipo de material define su temperatura para la termofluencia, su carga constante y el tiempo de la práctica. La masa de la carga constante es directamente proporcional a la termo fluencia del material. La elongación resultante de la termo fluencia es directamente proporcional a la temperatura de ensayo y a la carga constante.
VIII. Referencias Capítulo 4, Ensayos y propiedades mecánicas. Ciencia de los materiales. Selección y diseño. Pat, L. Mangonom. Pearson Education, México 2001. Pág. Elevated-Temperature Failures. Metals Handbook, Vol. 11, 9th Ed., ASM International. Metals Park, OH, (USA). (1986). Introduction to Creep. R.W. Evans and B. Wilshire. Departament of Materials Engineering, University College, Swansea (1993). IRMANN R. Technische Rundschau, 41 (36) (1949) Capítulo 6.
Propiedades mecánicas de los metales. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de
materiales. William F. Smith. Ed Mc Graw Hill 1998.
