Fluencia en caliente. Creep Natalia Mª. Barge López 1) Concepto de fluencia en caliente: En mucha muchass aplicac aplicacion iones es los compon component entes es se ven obliga obligados dos a soport soportar ar cargas cargas constan constantes tes durante tiempos prolongados, como por ejemplo álabes de rotor de turbina, filamentos de tubos y válvulas, cables de acero, etc. En tales circunstancias el material puede continuar defo deform rmán ándo dose se hast hastaa que que su util utilid idad ad se ve seri seriam amen ente te perj perjud udic icad ada. a. Tale Taless tipo tiposs de deformacion deformaciones es dependient dependientes es del tiempo pueden pueden ser casi imperceptib imperceptibles, les, pero crecen durante durante toda la vida útil de la pieza y llevan a la rotura, aún sin que la carga haya aumentado. Con cargas aplicadas por corto tiempo, como en un ensayo de traccin estático, hay una defo deform rmac aci in n inici inicial al que que aume aument ntaa simul simultá táne neam ament entee con con la carga carga.. !i, !i, bajo bajo cualq cualqui uier er circun circunstan stancia, cia, la deform deformaci acin n contin continúa úa mientr mientras as la carga carga se mantien mantienee constan constante, te, a esta deformacin adicional se la conoce como creep, el cual se define como" #la parte dependiente del tiempo de las deformaciones provenientes de tensiones#. $ebido a su estrecha cone%in con altas temperaturas en aplicaciones importantes, se suele asociar al creep con problemas vinculados con temperaturas elevadas. &ecientes desarrollos en el anál anális isis is del del creep creep se han han vinc vincul ulad ado o con con aleac aleacio ione ness resist resisten ente tess al calo calorr como como las las empleadas en turbinas a gas y plantas de poder a vapor. Como la tendencia en los dise'os actuales es de incrementar continuamente la temperatura de servicio, la situacin se hace cada vez más cr(tica. $e ah( el concepto de fluencia en caliente. Cuando aumentamos la temperatura de un material, tanto el l(mite de fluencia como el de rotura descienden. El material se hace mucho más dúctil, menos resistente) esto es general para todos los metales. En el caso de los aceros, el creep aparece a *++. El creep tiende inevitablemente a la rotura debido a la reduccin de seccin transversal que siempre acompa'a a la elongacin. -a fractura puede tener lugar de diversos modos" a / altas tensiones y temperatura temperaturass moderadas moderadas 0involucrando 0involucrando tiempos relativamente relativamente cortos, cortos, se desenvuelve como la rotura por traccin simple. !i el material es dúctil, romperá despu1s de una gran deformacin plástica. b / mayores temperaturas o tiempos más largos, los metales dúctiles comienzan a perder su capacidad capacidad para endurecerse por deformacin deformacin"" tiene lugar el comportamie comportamiento nto denominad denominado o #accin t1rmica#. !i la deformacin es grande, la rotura sigue siendo dúctil. c / altas temperaturas o largos per(odos de carga, los metales pueden fracturarse con muy poca deformacin plástica. El movimiento relativo entre los granos ocasiona ocas iona rupturas que se abren entre ellos, cuando una fisura llega a ser lo suficientemente grande, o varias fisuras se unen para formar formar una más grande, grande, crece lentamente lentamente a trav1s de la pieza hasta que fractura fractura tiene lugar. / tensiones bajas que actúan durante mucho tiempo la deformacin es a veces casi insignificante, y la fractura tiende a ser de carácter frágil.
2) Curva de fluencia en caliente: El comportamiento anteriormente descrito se detalla en la figura de abajo en la que se ilustra la deformacin por creep en funcin del tiempo 0para temperatura y carga constantes. En esta ilustracin, la deformacin instantánea se ha omitido, para que la deformacin mostrada sea enteramente la que resulta del creep. El tiempo total hasta la rotura se divide en tres etapas" a -a primera etapa está dominada por el creep transitorio. -a tasa de deformacin comienza con la deformacin instantánea, que es comparativamente alta, pero rápidamente disminuye hacia un valor constante. Este es el creep primario. b El creep secundario se desarrolla una vez que el creep transitorio ha alcanzado un valor prácticamente constante" la deformacin continúa aumentando a una tasa de creep más o menos constante bajo la accin de la componente viscosa. c El creep terciario, la tasa de creep aumenta nuevamente hasta que se llega a la rotura final. 2o siempre aparecen las tres etapas. !i la fractura es frágil, la tercera etapa puede desaparecer completamente. -a segunda etapa se hace cada vez menos importante a medida que la tensin o la temperatura aumentan. !i la tensin o temperatura son lo suficientemente bajas, la segunda etapa se transforma en horizontal y se e%tiende indefinidamente. 3) Variables que influyen en el ensayo de fluencia en caliente: -as altas temperaturas pueden producir otras alteraciones no e%pl(citas en las curvas, comúnmente no incluidas en los efectos de creep. /s(, los metales pueden sufrir transformaciones en las estructuras cristalinas, tal como la transformacin en los aceros de ferrita en austenita, recristalizacin y crecimiento de grano. Es más dif(cil analizar el creep que otros comportamientos mecánicos debido a que su prediccin es a largo plazo, por lo cual se debe e%trapolar a partir de resultados obtenidos en ensayos de corto tiempo. $ebe tenerse en cuenta que mientras un ensayo de creep está limitado usualmente a 3+++ horas 0* semanas, las vidas en servicio de los materiales o piezas pueden ser de l+.+++ horas. E%iste una complicacin adicional derivada del número de variables en juego) ellas son" deformación por creep, tiempo, tensión y temperatura. 4) Ensayos de fluencia en caliente: -a resistencia al creep es determinada e%perimentalmente en varias formas. 4no de los procedimientos más simples consiste en ensayar simultáneamente varias probetas a la temperatura de servicio esperada, pero cada una bajo una tensin diferente. !e mide el tiempo requerido para producir la deformacin permisible en cada probeta, y se traza una curva de tensin vs. Tiempo. Estos tipos de ensayos se limitan usualmente a l.+++ hs. 05casionalmente son llevados a 3+.+++ hs. $e los resultados alcanzados, puede tabularse las resistencias al creep, sobre la base de una cantidad especificada de deformacin por creep para diversas temperaturas. 5tro m1todo que tiene alguna fundamentacin terica, está basado en la velocidad de creep. a 61todos param1tricos" puesto que ninguno de los m1todos descritos hasta aqu( ha podido cuantificar e%actamente la e%trapolacin para largos tiempos, es necesario que nuevos m1todos completen este propsito. $istintos m1todos fueron desarrollados desde 378+. Todos tienen como idea central que el creep puede ser acelerado con el incremento de la temperatura de ensayo. 4na ventaja es que la accin t1rmica se incrementa. El incremento de la tensin sin embargo, no afecta la accin t1rmica. 9ncrementando la temperatura en el
ensayo se incrementa la velocidad a la cual la accin t1rmica total actúa) esto permite que en un ensayo de corto tiempo se pueda apro%imar a lo que ocurrir(a durante la vida en servicio. Esto nos da una base más confiable para la e%trapolacin. En los nuevos m1todos, por consiguiente, la deformacin total permisible, o la rotura, son impuestas dentro del tiempo de ensayo, usando una temperatura mayor que la de trabajo. El tiempo requerido a alta temperatura es luego convertido al tiempo correspondiente de la temperatura de trabajo mediante parámetros tiempo:temperatura. Estos nuevos m1todos son usualmente llamados ;m1todos param1tricos<, tienen base en parte terica y en parte emp(rica. -a parte terica está basada en una modificacin de la ecuacin de /rrhenius" =>? / e:Ea@AT / partir de diversas modificaciones de esta ecuacin, tenemos tres m1todos, que dada la brevedad del trabajo, slo serán nombrados. $ichos m1todos son" los m1todos param1tricos de -arson:6iller, !herby:$orn y 6ason:Baferd. b 61todos e%perimentales" los ensayos de creep requieren la medicin de cuatro variables" tensión, deformación, temperatura y tiempo. -a tensin la aplica una máquina de ensayo que aplica tanto carga constante como tensin constante. 4sualmente el ensayo se realiza bajo carga constante, lo que slo requiere la aplicacin de un peso en forma directa o indirecta, a fin de multiplicar la magnitud aplicada. / las precauciones generales de los ensayos de traccin, deberán agregarse algunas generales, tales como la eliminacin de la e%centricidad, etc. -as deformaciones deben medirse con mucha e%actitud en los ensayos de creep. ueden determinarse por medio de dos microscopios mviles que enfocan dos marcas calibradas previamente. / veces se ensayan las probetas no en aire, sino en sal, metal l(quido y otros tipos de ba'os, al vac(o, etc. -a prueba comprende las siguientes fases" a calentamiento gradual de la probeta, hasta alcanzar en unas tres horas la temperatura fijada. b permanencia de la probeta a dicha temperatura durante el tiempo prefijado. c aplicacin de la carga constante de traccin. d medicin de la fluencia. 5) ropiedades de los !etales ba"o Creep: -as dos más importante son" &esistencia al creep" las más altas tensiones que un material puede soportar durante un per(odo especificado de tiempo sin deformacin e%cesiva. Tambi1n se lo denomina #l(mite de creep#. &esistencia a la rotura por creep" las más altas tensiones que un material puede soportar durante un per(odo especificado de tiempo sin romper. Tambi1n se lo llama #resistencia a la rotura#. Como estas propiedades var(an con la temperatura, la misma debe especificarse y mantenerse constante. or ejemplo" la resistencia al creep requerida por un álabe de turbina de vapor puede ser aquella tensin que produzca +,D+ de creep en 3++.+++ hs. a F++GC. -a tensin mencionada en la precedente definicin es generalmente la tensin inicial. !i está involucrada una carga constante, en traccin, la tensin final verdadera será un poco mayor que la tensin inicial. El tiempo es de mayor inter1s en la determinacin de la resistencia al creep o a la rotura por creep en la vida en servicio, medida en miles de horas 0a veces tambi1n en a'os. -a deformacin permitida es la deformacin total, es decir, la instantánea más la deformacin por creep 0se mide . Bibliografía: C.H. &ichard. ;Engineering 6aterials !cience.< 0D++I JJJ.JiAipedia.org intado K.6. #Lallos en servicio de los materiales metálicos#. /'o de edicin" 377D 6ic M. #6etalotecnia. Ensayos 6ecánicos de los metales#. 037FN