UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA

MECÁNICA DE FRACTURA Y ANÁLISIS DE FALLA

“Termofluencia”

Grupo N° 5

Integrantes:

Cordova Marchan

Miranda Coronel Maycool

Solorzano Chiclayo Jenifer

Tena Piche

Docente: Ing. Mg. Purizaga Fernández, Ismael

TRUJILLO – PERU

2015

TERMOFLUENCIA

I. Introducción

Existe una gran variedad de condiciones de trabajo a las que puede estar sometido ciertos

componentes metálicos, estos pueden ser materiales, estructuras o componentes

tecnológicos sometidos ya sea a tensiones dinámicas y fluctuantes en un determinado

número de ciclos (fatiga), también materiales sometidos a determinados sistemas que

involucran la combinación de medio un agresivo, material sensible y tensiones tensiles

(Corrosión bajo tensión); sin embargo otras condiciones a las que muchos de los

componentes metálicos están sometidos y que es motivo de este informe son las

condiciones de trabajo a altas temperaturas.

Como sabemos todo material comienza a perder resistencia rápidamente a cierta

temperatura, es así que cuando la temperatura aumenta la deformación causada por una

tensión estática constante aplicada al material deja de ser elástica y es cada vez más

plástica.

Este problema especial que sufren muchos materiales se le conoce o es llamado

“Termofluencia, fluencia lenta ó Creep”.

II. Objetivos

Estudiar los fundamentos que explican el fenómeno de Termofluencia en los

metales.

Conocer algunos casos prácticos de diseño de componentes, materiales, etc. que son

sometidos al fenómeno de termofluencia.

Aplicar el conocimiento de Termofluencia a la solución de problemas teóricos y

prácticos.

III. Fundamento Teórico

III.1. Termofluencia

En un metal a temperatura ambiente, un esfuerzo aplicado menor que el de fluencia no

produce deformación plástica. Sin embargo, si la temperatura del metal se incrementa, es

posible que comience a deformarse plásticamente aun cuando los esfuerzos aplicados

sean bajos. Esta deformación plástica depende de la temperatura y del tiempo que la

fuerza esté aplicada.

La termofluencia es la deformación plástica que puede sufrir un material a elevada

temperatura y durante periodos largos de tiempo aun cuando el esfuerzo aplicado sea

menor que su resistencia de fluencia.

Es el fenómeno por el cual se produce una deformación plástica en función del tiempo

para esfuerzos o cargas constantes a temperaturas elevadas.

Después de un periodo de tiempo, la termofluencia culmina en la fractura del material.

Actualmente se sabe que la termofluencia es causada por procesos difusivos que son

térmicamente activados, es decir, que se activan por el calor.

La exposición de un material a temperaturas elevadas tiene varios efectos, los cuales en

conjunto son responsables o influyen en la termofluencia. Los principales efectos de la

exposición de los metales a temperaturas elevadas son:

1. Disminución del esfuerzo de cedencia y la resistencia a la tensión.

2. Aumento de la movilidad de las dislocaciones.

3. Recuperación y recristalización.

4. Incremento en la rapidez de los procesos difusivos.

5. Disolución y precipitación de fases.

6. Crecimiento de grano y formación de subgranos.

7. Fusión incipiente.

Para lograr la termofluencia se debe alzancar cierta energía la cual se denomina energía

de activación para la termofluencia. Estos valores para algunos materiales se muestran a

continuación:

III.2. Ocurrencia

Ocurren en equipos, instalaciones y componentes mecánicos que están sometidos a

temperaturas de trabajo mayores a 0,4 veces su temperatura absoluta de fusión, este valor es

llamado temperatura homóloga y se representa por θ ; los materiales pueden ser:

Cambiadores de calor, hornos, turbinas, calderas, autoclaves, reactores nucleares y equipos

de conformado en caliente.

Todos estos sistemas son grandes y costosos y su falla por lo general arroja pérdidas

económicas importantes, de ahí que la termofluencia haya sido objeto de extensos estudios

científicos.

III.3. Ensayo de termofluencia

Es un procedimiento que me permite determinar los efectos de la temperatura y la

tensión estática sobre la velocidad de fluencia en un determinado componente.

Este ensayo utiliza la norma ASTM E-139 (Sociedad Americana de Ensayos de Materiales),

con el fin de contar con bases para caracterizar el comportamiento a la Termofluencia de

los materiales metálicos.

Este procedimiento consiste en ensayar probetas, a la tracción, a temperatura y esfuerzo

constante; la atmosfera 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. El

siguiente esquema muestra este arreglo.

Durante la prueba la deformación es registrada continuamente en función del tiempo y la

prueba culmina con la ruptura del espécimen. El resultado es un registro llamado CURVA

DE TERMOFLUENCIA, o también curva de ruptura, usualmente la prueba se realiza a

diferentes niveles de esfuerzo constantem para un mismo material y se evalua el tiempo

de ruptura en cada caso.

La siguiente figura muestra las curvas de ruptura típicas para un acero ferrítico al

molibdeno – Vanadio.

Se observa que la curva no inicia en cero deformación, ya que existe una deformación

inicial instantánea, por la aplicación del esfuerzo y también se observa que el tiempo de

ruptura disminuye a medida que el esfuerzo aplicado aumenta.

Curva típica de termofluencia

Los ensayos de Termofluencia dan usualmente curvas que contienen tres etapas básicas

graficadas en la figura.

Curva de deformación de fluencia versus tiempo

Velocidad de deformación de fluencia en función del tiempo

En la figura, se observa en la curva de fluencia, inicialmente un alargamiento instantáneo,

que corresponde a una cierta deformación elástica de la probeta y, a veces a una

deformación plástica cuando la carga sobrepasa el límite elástico, luego se presentan tres

etapas bien definidas: 1 Termofluencia primaria o transitoria, 2 Termofluencia secundaria

o estacionaria, 3 Termofluencia terciaria o de fractura.

Etapa I: Termofluencia primaria o transitoria, se caracteriza por una velocidad de

fluencia decreciente, es decir la pendiente de la curva disminuye con el tiempo. Esto

sugiere que el material esta experimentando un aumento en su resistencia a la fluencia, o

sea, endurecimiento por deformación ya que la deformación se hace más difícil a medida

que el material es deformado. A bajas temperaturas y tensiones aplicadas, esta etapa es

predominante en el proceso de Termofluencia.

Etapa II: Termofluencia secundaria o estacionaria, es un periodo de velocidad de

deformación constante, o sea, la gráfica se hace lineal. Los mecanismos de

endurecimiento equilibran su acción con los de restauración, por este último el material

se hace más blando y retiene su capacidad para experimentar deformación. El valor medio

de la velocidad de deformación en esta etapa se conoce como velocidad mínima de

termofluencia. Es el dato de proyecto más útil, pues permite determinar los esfuerzos a

que puede trabajar satisfactoriamente una pieza mantenida a determinada temperatura.

Etapa III: Termofluencia terciaria o de fractura, se produce una aceleración de la

velocidad de fluencia y la rotura final. Este tipo de rotura se denomina frecuentemente

ruptura y se produce debido a cambios microestructurales y/o cambios metalúrgicos, por

ejemplo, la separación de los bordes de grano, la formación de fisuras internas, cavidades,

y huecos. También en el caso de fuerzas de tracción se pueden formar estricción en algún

punto de la zona de deformación. Todo ello resulta en una reducción del área de la

sección recta efectiva y en un aumento de la velocidad de deformación.

En esta etapa pueden aparecer dos tipos de rotura: las fracturas transcristalinas son

favorecidas por ensayos de corta duración (gran velocidad de deformación), se

caracterizan por la estricción de la probeta y gran ductilidad, mientras que las fracturas

intercristalinas son promovidas por ensayos de larga duración (baja velocidad de

deformación), muestran poca estricción y con frecuencia fallan con poco alargamiento

total.

Diagrama típico de esfuerzo-ruptura mostrando los datos de una serie de probetas

ensayadas a la misma temperatura bajo cargas diferentes

F Diferencia entre fractura (A) transcristalina ó transgranular y

(B) intercristalina ó intergranular

Ensayo a Carga constante y a esfuerzo constante

La diferencia está en el tipo de curva obtenida, bajo condiciones de esfuerzos constantes

la curva muestra una pendiente en disminución continua, significando una velocidad de

deformación en constante disminución. En efecto, la curva de Termofluencia a esfuerzo

constante de un material estructuralmente estable nunca debe alcanzar la segunda etapa

de la Termofluencia. Como se muestra en la figura.

Comparación de las curvas obtenidas con un ensayo de termofluencia a carga constante

y un ensayo de termofluencia a esfuerzo constante

Algunas aplicaciones del ensayo de termofluencia son para pernos, válvulas de vapor,

paletas para turbina de vapor, rotores de turbina, cuerpos para turbina, vástagos de

válvulas (aquí los datos de fluencia se consideran más importantes).

Los constructores necesitan saber como se comportará el metal al cabo de periodos muy

largos y aunque la aeronáutica puede contentarse con resultados de unos centenares o

millares de horas, los fabricantes de turbinas terrestres o de calderas, quieren saber que le

ocurrirá al metal al cabo de unas decenas de millares ó incluso, al cabo de 100 000 ó 200

000 horas.

Esto ha conducido a que se efectúen únicamente ensayos de larga duración, que nos

permitan conocer perfectamente el comportamiento de un acero, como por ejemplo el

tiempo de ruptura. Pero la necesidad de no esperar 5 a 10 años, para saberlo, se hacen

ensayos de baja duración y se trazan curvas de Termofluencia, para luego hacer una

extrapolación y tener datos hasta cierto punto aventurados, por los fenómenos

fisicoquímicos a lo largo del tiempo, que modifican la estructura del acero.

Parámetro de Larson – Miller

Como se ha mencionado los ensayos de Termofluencia no son factibles de extender por

muchos años para determinar que material utilizar en la construcción actual. Es necesario

extrapolar la información obtenida de ensayos mas cortos para poder estimar la cantidad de

deformación esperada, (a un esfuerzo y temperatura determinado), en el intervalo de tiempo

mas largo.

Para extrapolar esos datos obtenidos en los ensayos de Termofluencia, hacemos uso de un

parámetro, conocido como el parámetro de LARSON- MILLER.

Parámetro Larson-Miller = T (log t + C)

Donde T = temperatura (°K), C = constante, t = tiempo de ruptura (horas).

Algunos valores de C se muestran a continuación:

El tiempo a la ruptura para un determinado material medido a un nivel determinado de la

tensión varía con la temperatura de tal manera que el parámetro permanezca constante, ó

bien los resultados pueden representarse gráficamente como Log (esfuerzo) frente al

parámetro Larson-Miller.

Parámetro Larson-Miller para el hierro fundido dúctil

Curva Esfuerzo – Tiempo de ruptura (De un ensayo de fractura por

termofluencia)

III.4. Mecanismos de termofluencia

Los mecanismos de deformación en termofluencia dependen de forma principal de la

temperatura: a temperaturas relativamente bajas (0,2 a0,3 Tf) predominan los mecanismos

de deslizamiento y maclaje, pero a temperaturas mayores (0,5 a 0,8Tf) predominan los

mecanismos basados en la difusión y en el deslizamiento de límites de grano. Es muy difícil

establecer una condición tiempo-esfuerzo-temperatura en la que la deformación de

termofluencia ocurra por un mecanismo simple. La regla es que la deformación sea el

resultado de la combinación de varios procesos. Sin embargo, se ha reconocido el manos

dos mecanismos de deformación predominandes en termofluencia. (Termofluencia por

dislocaciones y termofluencia por flujo difusivo).

a. Termofluencia por dislocaciones

Cuando una dislocación se mueve dentro de un cristal, debe vencer al menos la resistencia

de la red y además pasar los obstáculos que encuentre en su camino. A alta temperatura la

activación térmica ayuda a pasar los obtáculos que se le presenten a las dislocaciones,

mediante el proceso de ascenso de dislocaciones.

El ascenso de dislocaciones ocurre por la difusión de vacancias, como muestra la figura.

Cuando la vacancia V, intercambia su lugar con el átomo A, situado en la línea de la

dislocación de borde, ésta “asciende” una posición atómica en la red. Si otra vacancia se

vuelve a mover hacia el átomo A el proceso se repite. De esta manera una dislocación

puede moverse de forma indefinida fuera de su plano de deslizamiento.

Este movimiento va cortando el cristal, por lo general al igual que el deslizamiento,

produce deformación plástica.

Cuando una dislocación brinca un obstáculo por ascenso, el deslizamiento puede continuar

hasta encontrar otro obstáculo y el proceso se repite. Así, la deformación por dislocaciones

en termofluencia es una combinación de ascenso y deslizamiento.

Como se muestra en el esquema inferior, el ascenso puede ocurrir de manera local, lo que

significa un gasto de energía menor que deformar toda la línea de dislocación.

Este mecanismo fue propuesto por Coble (1963) y es predominante a temperaturas

intermedias y es muy dependiente del esfuerzo. Una relación típica de la velocidad de

deformación para este mecanismo es:

b. Termofluencia por flujo difusivo

También llamado flujo difusivo, este mecanismo fue propuesto por Nabarro – Herring

(1950) e involucra la deformación de los granos por el flujo masivo de vacancias en el

interior de los granos, desde las zonas sujeras a compresión hacia las zonas sometidas a

tensión; de forma simultanea, los átomos fluyen en dirección contraria, produciendo un

alargamiento en la pieza, como muestra la figura siguiente.

La ecuaciones fenomenológicas para este tipo de deformación son:

Por lo tanto a tamaño de grano mayor, la fluencia será menor.

Este mecanismo involucra al deslizamiento de límites de grano, el cual tiene un papel muy

importante en la fractura, como se verá después. De hecho, el deslizamiento de límites de

grano es otro mecanismo de deformación en sí, pudiendo ocurrir de manera independiente

del flujo difusivo, como muestra la siguiente figura.

Temperatura equicohesiva

Los límites de grano tienen una gran influencia en la deformación y fractura en

termofluencia. Por lo general se acepta que los límites de grano tienen una resistencia

mecánica propia, la cual varía con la temperatura, como muestra la figura siguiente.

A baja temperatura los límites de grano son más resistentes que el cristal, debido a su alta

concentración de defectos, pero a alta temperatura la relación se invierte. La temperatura a

la cual la resistencia de los límites de grano es igual a la del cristal se le llama Tempertura

Equicohesiva. Así a temperaturas superiores a la equicohesiva, el deslizamiento de límites

de grano es favorecido y la fractura tiende a ser intergranular.

III.5. Fractura por termofluencia

La fractura por termofluencia es por lo regular de tipo intergranular y presenta un aspecto

granuloso, donde las facetas de los granos están cubiertas de pequeños hoyuelos o cráteres

que son en realidad cavidades separadas.

Los procesos que involucrados en la falla por termofluencia son:

1. Deslizamiento de límites de grano

2. Cavitación de límites de grano

3. Formación de subgranos.

4. Flujo difusivo

A una escala macroscópica las fracturas por termofluencia presentan cierta deformación

plástica formación de cuello y un relieve superficial, como se ilustra en la figura inferior.

El modo de fractura intergranular con frecuencia provoca que la fractura ocurra sin cambio

aparente en forma y dimensiones de la pieza, confundiendo la fractura por termofluencia

con la fractura por fragilización. Sin embargo las tres características antes mencionadas

pueden ser observadas con un microscopio óptico.

La fractura intergranular en termofluencia ocurre por la nucleación, crecimiento e

interconexión de cavidades. La nucleación y crecimiento de las cavidades intergranulares

obedece a tres mecanismos fundamentales.

1. Deslizamiento de límites de grano

2. Flujo y condensación de vacancias en límites de grano

3. La termofluencia del material alrededor de la cavidad.

Cavidades tipo W

El deslizamiento de límites de grano, provoca la descohesión de las uniones triples del

límite de grano formando cavidades en forma de cuña, denominadas tipo w. Las

condiciones que favorecen la formación de cavidades tipo w son:

Altos esfuerzos y temperaturas relativamente bajas.

La figura siguiente muestra de forma esquemática el proceso de formación de cavidades

tipo w.

Cavidades tipo r

La condensación de vacancias en los límites de grano, por otra parte, origina deformación

de cavidades esféricas a lo largo de los límites de grano. Estas cavidades son llamadas tipo

r y su crecimiento está controlado por la difusividad y el esfuerzo aplicado de acuerdo con

la siguiente ecuación.

Donde: es la velocidad de crecimiento de la cavidad, Dv es la difusividad de

vacancias, r el tamaño instantáneo de la cavidad y m y n son constantes experimentales. Al

contrario de la cavidad tipo w, las cavidades tipo r son favorecidas por alta temperatura y

bajo esfuerzo. Las cavidades tipo r se distribuyen en grandes números a lo largo de los

límites de grano, como muestra la figura.

3.6. Propagación de grietas por termofluencia

La fractura por termofluencia también puede ocurrir en forma localizada cuando existe una

grieta o un concentrador de esfuerzos, de manera que, aunque el esfuerzo en la estructura

no sea suficiente para provocar la ruptura en el tiempo estimado de servicio, la estructura

puede fallar en un tiempo mucho menor, debido a que la concentración de esfuerzos

propicia el crecimiento localizado de una grieta por termofluencia, como se ilustra

esquemática en la siguiente figura.

En este caso los esfuerzos en la punta de la grieta son tan altos como para provocar la

cavitación de límites de grano en forma apreciable y la grieta se propaga.

La velocidad de crecimiento de la grieta ocurre cuando la propagación por el crecimiento e

interconexión de cavidades en límites de grano está controlado por la velocidad de

crecimiento de cavidades, la cual a su vez, depende de la magnitud de los esfuerzos en la

punta de la grieta. Como se sabe, el estado de esfuerzos en la grieta es caracterizado por el

factor de intensidad de esfuerzos K. Experimentalmente se ha encontrado que:

Por otra parte, cuando la propagación de grieta también puede ser controlada por la

velocidad de deformación difusiva, K es reemplazada por un parámetro que relaciona la

rapidez de liberación de energía debido a una extensión de grieta con la velocidad de

deformación en la zona de termofluencia en la punta de la grieta. Es lógico que ambos

mecanismos de propagación de grietas por termofluencia (por crecimiento de cavidades y

por deformación difusiva) son casos extremos y lo usual es que la propagaición ocurra por

una combinación de ambos en tal caso se puede aplicar el principio de superposición,

quedando la velocidad de crecimiento como:

3.7. Materiales para uso a alta temperatura

Se ha establecido que los materiales resistentes a la termofluencia deben poseer las

siguientes características:

Termofluencia por dislocaciones:

1. Alto punto de fusión

2. Maximizar obstrucción al movimiento de dislocaciones. Lo ideal es solución sólida

endurecida por precipitados estables.

3. Alta resistencia al corte. Enlace covalente como óxidos, silicatos, SiC, SiN.

Termofluencia difusiva

1. Alta temperatura de fusión

2. Tamaño de grano grande, si es posible monocristales.

3. Precipitados en los límites de grano para prevenir deslizamiento de límite de grano.

Algunos materiales típicos que cumplen con estas condiciones son:

IV. Referencias Bibliográficas

Gonzales, J. (2003). Metalurgia Mecánica. Editorial Limusa. México

http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2010.pdf