Parte 2C - Creep - El resumen se hizo en base a los siguientes libros: Deformation and fracture PDF

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Resumen Propiedades Estructurales I Catalina Miranda PARTE 2C: Creep 14. Creep: es un mecanismo de fluencia lenta y de a alta temperatura, que consiste en a o a carga constante en el tiempo, debido a la conjunta de altas temperaturas y tensiones. Esto significa que el flujo puede ocurrir mientras se...

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Resumen Propiedades Estructurales I – Catalina Miranda

PARTE 2C: Creep 14. Creep: es un mecanismo de fluencia lenta y de deformación a alta temperatura, que consiste en deformación a tensión o a carga constante en el tiempo, debido a la acción conjunta de altas temperaturas y tensiones. Esto significa que el flujo plástico puede ocurrir mientras se mantienen constantes el esfuerzo y la temperatura, y que bajo las condiciones apropiadas el tiempo puede ser muy importante en la determinación de la cantidad de deformación plástica que sufre un metal. Hasta

Figura 353. Deformación en función del tiempo.

el momento se estudiaron procesos donde la temperatura era tal que la deformación no dependía del tiempo, pero si se trabaja a temperaturas mayores, aparece deformación plástica dependiente del tiempo. A

bajas temperaturas no hay deformación plástica si la tensión es menor a la tensión de fluencia, es decir, la deformación es únicamente elástica y reversible, mientras que a altas temperaturas habrá deformación permanente al cabo de un tiempo , para una tensión aún menor a la tensión de fluencia. El creep se observa tanto en sólidos cristalinos y amorfos. Los mecanismos que involucran movimientos de dislocaciones son restrictivos de los sólidos cristalinos pero los que involucran flujo difusional se observan en ambos. En la figura 353 se observa la deformación en función del tiempo, para un escalón de carga. Se aplica una tensión constante a temperatura ambiente, se obtiene una deformación y cuando se libera la carga luego de un determinado tiempo queda una deformación remanente, que es plástica. Si el mismo experimento se realiza a temperaturas más altas, se observa que para la misma tensión la deformación es mayor y que la resistencia del material es menor. A partir del gráfico se concluye que hay una deformación plástica independiente del tiempo, que es instantánea, y otra deformación plástica dependiente del tiempo del ensayo. A nivel microscópico, la deformación depende de la estructura interna del material, es decir, de la densidad y disposición de las dislocaciones, del número de lugares vacantes, de la cantidad de átomos intersticiales, de la cantidad de átomos de impurezas, del tamaño y distribución de partículas de precipitados y, finalmente, del tamaño de grano. A altas temperaturas, la deformación por termofluencia es térmicamente activada y las vibraciones térmicas ayudan al esfuerzo aplicado para vencer las barreras al flujo. La velocidad de deformación que sufre el metal depende de la cantidad de endurecimiento por deformación previo . Es

evidente que la deformación plástica en un metal es una función del tiempo, de la temperatura y del esfuerzo. Se pueden nombrar los siguientes micromecanismos que hacen posible que exista el creep: 

Activación de las fuentes de dislocación. La energía térmica ayuda a que se formen los loops que se convierten en fuentes de dislocaciones.



Vencimiento del esfuerzo de Peierls-Nabarro. El aumento de la temperatura ayuda a la dislocación a moverse a través del cristal. La fuerza de Peierls-Nabarro es la que mantiene a la dislocación en su posición de baja energía de la red cristalina. La sensibilidad a la temperatura está relacionada con el rol del esfuerzo de Peierls-Nabarro en la resistencia al movimiento de las dislocaciones a lo largo de la red.

 

Intersección de dislocaciones. Movimiento de las dislocaciones con escalones. La energía térmica ayuda a la difusión de vacancias y al avance de los escalones hacia lugares donde antes no podían moverse.



Ascenso de dislocaciones. La importancia potencial de la temperatura en la deformación de un sólido se debe a que el movimiento de ascenso de dislocaciones requiere activación térmica.

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

Movimiento de atmósferas de dislocación. La atmósfera de soluto que se forma alrededor de la dislocación ejerce una acción restrictiva sobre el movimiento de la misma que disminuye al aumentar la temperatura



Deslizamiento transversal activado.



Deslizamiento de borde de grano, es un proceso por corte que ocurre en la dirección del borde de grano.

Las temperaturas típicas de utilización de sólidos a alta temperatura están entre

, pero la

temperatura exacta depende de la aplicación. La temperatura a la cual aparecen los fenómenos descriptos anteriormente depende mucho de cada aleación, y una temperatura que es dañina para un material puede no serlo para otro. Para evitar este problema, cuando se habla de creep se habla de temperaturas homólogas, es decir, del cociente entre la temperatura del ensayo y la temperatura de fusión del material. Generalmente, el creep se hace importante para temperaturas homólogas mayores a 0.5. 14.1. Comportamiento de los materiales a alta temperatura: la resistencia de los metales disminuye con el aumento de la temperatura. Dado que la movilidad de los átomos y de las dislocaciones aumenta rápidamente con la misma, puede decirse que los procesos controlados por difusión tienen un efecto muy marcado en las propiedades mecánicas, ya que habrá mayor movilidad de dislocaciones por el mecanismo de ascenso y la concentración de vacancias será mayor. Además, a altas temperaturas se pueden activar nuevos mecanismos de deformación, gracias al cambio en los sistemas de deslizamiento o la introducción de nuevos sistemas. También entra el juego el deslizamiento de borde de grano. Todo esto indica que la estabilidad metalúrgica de las aleaciones es afectada por la exposición prolongada a altas temperaturas. Los metales trabajados en frío pueden sufrir recristalización y aumento de tamaño de grano, mientras que las aleaciones envejecidas pueden sobreenvejecerse y disminuir su tensión de fluencia. Las aleaciones metaestables pueden transformarse si se les da la temperatura y el tiempo suficiente, por lo tanto, puede cambiar su microestructura. A altas temperaturas también aumenta mucho la interacción con el medio ambiente. El uso satisfactorio de sólidos cristalinos a alta temperatura es un problema complejo. La respuesta de un material al creep depende variables del

material como la resistencia, la difusividad y la estructura cristalina y de variables externas como la tensión, la temperatura y el medio. Se pueden distinguir dos clases distintas de materiales: 14.1.1. Corta vida: son, por ejemplo, los materiales que operan en una turbina de avión ( la boquilla de un cohete (

) o en

). En estos casos la pregunta dominante es cuánto tiempo va a

durar el material en servicio, más que cuanto se va a deformar. El parámetro de diseño característico, es la vida a la rotura

que disminuye al aumentar la temperatura de ensayo o la

tensión de ensayo. 14.1.2. Larga vida: son, por ejemplo, los materiales que operan en una planta nuclear diseñada para operar muchas décadas, donde la falla del componente está fuera de discusión y lo importante es que el material no se deforme demasiado. En este caso, la velocidad mínima de creep representa la clave en la respuesta del material a una dada temperatura y tensión. En resumen, a tiempos cortos importa si el componente va a fallar mientras que a tiempos largos importa la deformación admisible más que la falla. 14.2. Ensayos de Creep: existen distintos tipos de ensayos de creep que se utilizan para estudiar distintos parámetros, que se deben seleccionar en base al tiempo el cual se espera que el material esté en servicio, y puede que un ensayo que sea adecuado para una aplicación no lo sea

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Figura 354. Ensayos de creep

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para otra. Por ejemplo, el ensayo de tracción a alta temperatura solo sirve para los materiales de corta vida, como el motor de un cohete, pero no sirve para caracterizar la vida de una material expuesto

Esto significa que se necesitan distintos ensayos para caracterizar la vida al creep de un material. La corrosión puede producir

durante más

horas a altas temperaturas de servicio.

concentradores de tensión y disminuir la sección resistente de la probeta, por lo tanto, los ensayos se realizan en atmosferas controladas no oxidantes. Generalmente los ensayos se hacen a temperatura constante, con aplicación de carga constante o con tensión constate. Como regla general, los ensayos para fines ingenieriles se pueden hacer a carga constante, lo cual es más sencillo, mientras que los estudios más fundamentales, como los de determinación de los mecanismos de creep, se deben hacer a tensión constante, para lo cual se disminuye la carga en el tiempo para que la tensión en el ligamento remanente sea siempre la misma. En la figura 354 se observa la diferencia entre la curva obtenida a carga constante y a tensión constante. Los resultados del ensayo suelen ser la deformación en función del tiempo. 14.2.1. Ensayo de creep (creep test): mide los cambios dimensionales que ocurren a elevadas temperaturas y se usa para conocer la deformación que sufre el material en un determinado tiempo, por lo que se aplica a casos donde la vida del componente es larga, y se debe conocer tanto la deformación admisible como el tiempo que pasa hasta llegar a ella. El experimento de creep ordinario es a la tracción, a temperatura y carga constantes durante el cual se mide la deformación en función del tiempo. El ensayo se hace en la etapa II de creep (esto se verá en detalle a continuación) donde 󰇗 , que es la velocidad de deformación, se puede determinar con precisión. El ensayo de creep se concentra en las etapas iniciales de la deformación y raramente

llega hasta la rotura, con el objetivo de determinar la máxima velocidad de creep admisible. La

precisión de 󰇗 aumenta con la cantidad de tiempo que se deja al material en la etapa II. El efecto

de la temperatura y la tensión en la mínima velocidad de creep son los dos datos más comúnmente reportados durante un ensayo de creep. La velocidad mínima de creep es el parámetro de diseño más importante que se deriva de la curva de creep. Existen dos convenciones para determinar este valor: una es la tensión necesaria para producir una velocidad de creep de 0.0001% en una hora y otra es la tensión necesaria para producir una velocidad de creep de 0.00001% en una hora. 14.2.2. Ensayo de tensión-rotura (stress-rupture test): mide el efecto de la temperatura en condiciones de carga prolongada hasta llegar a la rotura del componente. En estos ensayos es importante conocer el tiempo que va a durar el material en servicio antes de romperse, y queda en un segundo plano la deformación que pueda sufrir, por lo que se utilizan para aplicaciones donde la vida en servicio es corta. Las pruebas de creep y de creep a la ruptura son similares con la diferencia de que en una se lleva a la probeta hasta la rotura y en la Figura 355. Resultados de un ensayo de rotura para otra no. Otra diferencia con respecto al ensayo de distintas temperaturas. creep es que se utilizan mayores tensiones para alcanzar mayores velocidades de deformación y menores tiempos de rotura, mientras que los ensayos de creep se hacen a relativamente bajas tensiones para evitar la zona de creep terciario (etapa III). Los tiempos característicos de rotura son de aproximadamente

horas gracias a los cambios microestructurales que ocurren como

consecuencia de las altas tensiones. Los resultados obtenidos se grafican en función del tiempo en escala logarítmica y se obtiene un gráfico como el de la figura 355. El cambio en la pendiente de la curva se debe a los cambios estructurales que ocurren en el material, como cambios de fisura transgranular a intergranular, oxidación, recristalización, crecimiento de grano, grafitización,

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esferoidización o formación de fases especiales. Se observa que a mayor temperatura, menor tensión necesaria para alcanzar la rotura. Se puede identificar una relación empírica entre 󰇗 y con la siguiente forma: 󰇗 Donde, es la vida a la rotura,

󰇗 es la velocidad de deformación en el estado estacionario, que

depende fuertemente de la tension, y

y

son constantes del material. Se encontró

experimentalmente que para muchas aleaciones de aluminio, cobre, titanio, hierro y superaleaciones base níquel

y

. En una primera aproximación el

creep es proporcional a 󰇗 , lo cual permite estimar

a partir de su valor. A partir de este ensayo

también se puede graficar la deformación en función del tiempo, obteniendo lo que se llama curva de creep. 14.2.2.1. Curva de Creep: consiste en un gráfico de deformación en función del tiempo. Para su determinación ingenieril se aplica una carga constante a una muestra sometida a una temperatura constante, en una configuración de tracción, y se determina la elongación en función del tiempo. Mediante este ensayo no se determinan los mecanismos de creep, sino que se observa la respuesta del material en el tiempo. Para

determinar

los

mecanismos

de

termofluencia es necesario variar o disminuir la

Figura 356. Curva típica de creep que muestra tres regiones del espacio deformación-tiempo

carga durante la prueba para poder compensar la reducción en el área transversal según la misma se deforma, y mantener así un esfuerzo constante sobre el metal. Luego de que se aplica la carga, la tensión aumenta hasta que ocurre la falla final. Los resultados de la figura 356 se obtuvieron a partir de un ensayo a carga constante, donde se pueden distinguir tres etapas cuya extensión depende de la tensión aplicada y de la temperatura del ensayo. A carga constante la velocidad de deformación disminuye y el material tiene que responder a través del endurecimiento. Al comienzo del ensayo el endurecimiento debido a la deformación hace decrecer la velocidad de flujo. Simultáneamente con la tendencia del material a endurecer durante la deformación, pueden ocurrir reacciones de ablandamiento que tenderán a oponerse o a nulificar el endurecimiento por deformación, llegando al estado estacionario que permanece durante un tiempo hasta llegar a la tercera etapa donde la velocidad de creep aumenta. En general, se cree que la respuesta variada que presentan los materiales reflejan una interacción continuamente cambiante entre el endurecimiento y el ablandamiento. El endurecimiento a alta temperatura involucra formación de subgranos, como producto del reordenamiento de las dislocaciones, mientras que el ablandamiento involucra deslizamiento entre planos y mecanismos de ascenso de dislocaciones que son activados térmicamente. 14.2.2.1.1. Etapa I: se conoce como creep primario y el gradiente disminuye con el tiempo . Luego de la deformación inicial instantánea, el material sufre un período donde la velocidad de deformación disminuye con el tiempo hasta llegar a un valor mínimo que corresponde a al estado estacionario. El valor inicial muy grande

indica el hecho de que las

alteraciones estructurales que ocurren en el material según este se deforma actúan para retardar el proceso de flujo normal. Estos cambios son probablemente en el número, tipo y disposición de las dislocaciones, en el número de lugares vacantes e intersticios, en la estructura del límite de grano y en la estructura de subgrano. Todos estos procesos

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afectan fuertemente la deformación final del material a una dada temperatura y tensión. Es lógico concluir que la disminución en la velocidad en la etapa I se debe relacionar

con cambios en la estructura que aumentan la resistencia global de las dislocaciones al movimiento. 14.2.2.1.2. Etapa II: el gradiente es constante. Se alcanza un equilibrio entre los procesos de endurecimiento y de ablandamiento con una subestructura estable. A mayores tensiones o temperaturas, el balance entre los dos factores se pierde, la duración del estado estacionario es menor, y se acelera la velocidad de deformación en la etapa III debido a que dominan las inestabilidades metalúrgicas que ablandan al material. Entre estas inestabilidades están los cuellos localizados, la corrosión, la fractura intercristalina, la formación de microhuecos, la precipitación de partículas de segunda fase y la disolución de segunda fases que inicialmente endurecían al material. También puede ocurrir que debido a las altas temperaturas el

material recristalice y haya una destrucción aun mayor del equilibrio. La

magnitud de la deformación en el estado estacionario depende fuertemente de la tensión. Como resultado, los estudios durante el estado estacionario

suelen

ser

graficados

en

función de la tensión aplicada como en la figura 357 para la ferrita y la austenita. El grafico muestra la tasa de creep en el estado estacionario para hierro

y

a

910°C, que es la temperatura de transición entre la estructura BCC y FCC. A la temperatura de transformación alotrópica, la tasa de creep en la austenita es 200 veces menor que en la ferrita ( ). Esta diferencia tan sustancial se atribuye a la 350 veces menor difusividad de la estructura FCC que BCC.

Figura 357. El eje vertical es el tiempo.

14.2.2.1.3. Etapa III: el gradiente aumenta notoriamente hasta llegar a , que representa el final de la vida util del componente. Si el ensayo se hace a tension constante, el comienzo de esta etapa se retrasa considerablemente. La etapa III se asocia con cambios metalurgicos como el engrosamiento de los precipitados, la recristalizacion o cambios difusionales en las fases presentes. Si se grafica la pendiente de la curva de creep en función de la deformación se obtiene un gráfico como el la de la figura 358. Existen otros ensayos para caracterizar propiedades como la resistencia al shock térmico y a la relajación de tensiones. 14.3. Relaciones

󰇗

: dado que la vida al creep y elongación total del

material depende fuertemente de la magnitud de la velocidad de creep en estado estacionario, se busca identificar cuáles son las variables que afectan a 󰇗 .

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Figura 358. Velocidad de creep en función de la deformación.

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󰇗 Donde, es la temperatura, es la tension aplicada, es la deformación por creep, es una constante que representa propiedades intrínsecas de la red, como por ejemplo el módulo de corte y el tipo de red, y

es una constante que representa factores metalúrgicos como el tamaño de grano, subgrano y

tratamiento térmico. Los valores de y

dependen a su vez, de la temperatura, de la tensión y de la

deformación por creep, lo cual hace que la separación del efecto de cada variable sea un trabajo complicado. Para temperaturas homólogas mayores a 0.5 se puede relacionar la tensión de creep con un parámetro , que es un parámetro de tiempo compensado por la temperatura. 󰇗 Donde, es el tiempo,

es la barrera de activación para el

proceso, es la temperatura absoluta y es la constante de los gases ideales. La energía de activación representa la barrera energética para que un átomo se mueva de un estado B a un estado A. 󰇗 󰇗

Esta ecuación describe la relación

para una

estructura estable. Cuando el proceso de creep está dado por una velocidad mínima

󰇗 y su logaritmo se grafica en

función de la inversa de la temperatura

, se obtienen

curvas para distintas tensiones aplicadas, tal como se ve en l...