Читать книгу Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos - Édgar Espejo Mora - Страница 29

Se trata de un modo de falla por deformación plástica, mediante el cual, una pieza experimenta deformación permanente que incrementa con el paso del tiempo, estando sometida a un esfuerzo constante, cuyo valor es inferior al límite elástico o la resistencia a la fluencia del material (figura 2.19). El proceso de deformación se da una velocidad lenta, menor que la experimentada en la deformación plástica cuando se supera el esfuerzo de fluencia, por ello se le clasifica como un modo de falla por deformación plástica dependiente del tiempo. La deformación se da mediante un proceso viscoso que se presenta dentro del material (comportamiento similar al de un fluido), el cual se puede dar si el material se encuentra por encima de una temperatura mínima que activa el fenómeno.

Figura 2.19 Comportamiento del esfuerzo versus el tiempo en las fallas por deformación plástica mediante fluencia lenta o termofluencia

Fuente: elaboración propia.

La deformación total que experimentará una pieza en régimen de termofluencia será la suma de: (1) la expansión térmica, que se genera durante el calentamiento de la pieza; (2) la deformación elástica ∈0, la cual se da en el proceso de carga inicial del elemento; y (3) la deformación por termofluencia, que constituye el componente viscoso retardado en el tiempo. Al analizar el fenómeno de la termofluencia en un gráfico deformación-tiempo, se encontrará que esta presenta en general tres zonas de comportamiento definido: (a) termofluencia primaria o zona I, (b) termofluencia secundaria o zona II y (c) termofluencia terciaria o zona III (figura 2.20).

Durante la termofluencia primaria el material experimenta una alta velocidad de deformación dε/dt, donde paulatinamente esta irá disminuyendo, en la medida en que el endurecimiento por deformación contrarreste parcialmente el efecto viscoso. El endurecimiento por deformación no logra eliminar la deformación plástica del todo, debido a la recuperación térmica, por ello, se alcanza un punto de equilibrio donde la velocidad de deformación permanece constante y en un valor mínimo, lo cual caracteriza a la termofluencia secundaria. En la termofluencia terciaria la velocidad de deformación vuelve a aumentar, como consecuencia de una inestabilidad plástica (acuellamiento de la pieza), y/o porque el efecto viscoso y la recuperación térmica empiezan a primar sobre el endurecimiento por deformación, acelerándose el proceso hasta la fractura del elemento.

Figura 2.20 Curva típica del comportamiento de la deformación contra el tiempo, para una aleación en régimen de termofluencia

Nota. ε0: es la deformación elástica inicial; la zona I de la gráfica se conoce como termofluencia primaria; la zona II se denomina termofluencia secundaria, y se caracteriza por tener una rata de deformación constante que es la menor de todo el proceso; la zona III se denomina termofluencia terciaria.

Fuente: elaboración propia.

No todas las aleaciones ni en todas las situaciones de carga-temperatura se presentará una curva de termofluencia como la mostrada en la figura 2.20, por ejemplo: 1) a elevados esfuerzos y temperaturas puede que no se presente la termofluencia primaria, o incluso se puede tener solo la termofluencia terciaria, debido al fuerte predominio del efecto viscoso y la recuperación térmica sobre el endurecimiento por deformación (figura 2.21); 2) la termofluencia terciaria puede no aparecer cuando el elemento por su área o inercia no genere fácilmente una zona de acuellamiento o inestabilidad plástica; también puede no presentarse cuando el esfuerzo y la temperatura sean bajos (figura 2.21); 3) algunos materiales muy dúctiles al mostrar baja capacidad de endurecimiento por deformación podrán tener curvas de termofluencia, donde la velocidad de deformación estará en continuo incremento; 4) materiales que presenten cambios microestructurales a las temperaturas de termofluencia, como precipitación de nuevas fases, cambios en tamaños de grano, embastecimiento de precipitados, etcétera, podrán presentar gráficos con varios cambios de pendiente o velocidades de deformación, ya que algunas estructuras serán más o menos resistentes a la termofluencia que otras.

En ensayos de termofluencia es común definir dos medidas de ductilidad, una es la elongación verdadera al final de la termofluencia secundaria y la otra es la elongación total a fractura. La ductilidad verdadera es preferida a la ductilidad total, porque está menos influenciada por microvacíos, grietas o inestabilidades plásticas (acuellamientos). Las piezas fundidas presentan datos de ductilidad más dispersos que las piezas forjadas, derivado de la mayor presencia de discontinuidades e inhomogeneidades. Piezas que trabajan a altas temperaturas, como partes de motores térmicos, se diseñan para que su tiempo de servicio coincida con una deformación verdadera máxima admisible, la cual puede ser por ejemplo del 1 %; esta deformación máxima debe coincidir con el final de la termofluencia secundaria, de forma que el factor de seguridad en vida de servicio abarque al menos la termofluencia terciaria.

Figura 2.21 Influencia general del nivel de esfuerzo o de la temperatura para una aleación metálica

Nota. Diagrama que muestra la influencia general del nivel de esfuerzo o de la temperatura para una aleación metálica en la forma de las curvas de termofluencia, en las velocidades de deformación, en el tiempo a fractura y en la deformación a fractura.

Fuente: elaboración propia.

2.2.4.1 Mecanismos de la distorsión por fluencia lenta en metales

La temperatura a partir de la cual el fenómeno de la termofluencia se vuelve importante en metales cambia de una aleación a otra, estando generalmente entre un 30 y 50 % de la temperatura de fusión absoluta del material (tabla 2.5). El fenómeno de la termofluencia en las aleaciones se activa cuando la energía térmica asociada con la temperatura del material es lo suficientemente grande para darle a los átomos un mínimo de movilidad que les permita contrarrestar los fenómenos del endurecimiento por deformación (recuperación térmica), facilitándose así el comportamiento viscoso (deformación plástica a esfuerzo constante). El comportamiento viscoso se vuelve predominante al darse entre otros fenómenos: (a) un mayor número de sistemas de deslizamiento dentro de los granos; (b) el trepado de las dislocaciones alrededor de los obstáculos; (c) mayor difusividad de átomos y vacancias dentro del material, que faciliten la neutralización del exceso de dislocaciones generadas; (d) activación del deslizamiento entre los granos.

Tabla 2.5 Temperaturas típicas de inicio del fenómeno de la termofluencia para varias familias de aleaciones metálicas [9]

Material	Temperatura en oC
Aleaciones de aluminio	150-200 (0,48-0,54 TF)
Aleaciones de titanio	315 (0,3 TF)
Aceros de baja aleación	370 (0,36 TF)
Aceros inoxidables austeníticos y refractarios	540 (0,49 TF)
Aleaciones base níquel o cobalto resistentes al calor	650 (0,56 TF)
Aleaciones refractarias	980-1540 (0,4-0,45 TF)

Nota: TF es la temperatura de fusión absoluta de la aleación.

Dentro del fenómeno de la termofluencia en metales, existe una temperatura importante que se conoce como temperatura equicohesiva, y corresponde a la temperatura donde la aleación muestra la misma resistencia en límites de grano y en el interior de estos (de ahí su nombre). Por debajo de esta temperatura los metales exhiben una mayor resistencia en los límites de grano, mientras que, a mayores temperaturas de la equicohesiva, la resistencia del interior de los granos será mayor. Como consecuencia de lo anterior, si la termofluencia se da a una temperatura mayor de la equicohesiva, en el material se fomentará la formación de microvacíos en los límites de grano, producto del deslizamiento entre estos y la difusión de vacancias, lo que llevará en últimas a fracturas intergranulares por fluencia lenta; mientras que por debajo de esta temperatura predominarán fracturas transgranulares dúctiles, es decir, por formación y coalescencia de microvacíos intragranulares. La temperatura equicohesiva será alta, cuando se tengan esfuerzos bajos y tiempos de exposición bajos, y será baja para tiempos de exposición prolongados y altos esfuerzos.

Las variables más importantes que influyen en la termofluencia son, a saber: (a) la aleación, ya que existen aleaciones más resistentes que otras, es decir, pueden tener mayores tiempos de fractura, y/o mayor capacidad de soportar esfuerzos, y/o menor velocidad de deformación, además de ser más resistentes a experimentar transformaciones microestructurales a la temperatura de trabajo; (b) la temperatura, teniéndose que entre más alta sea esta, se obtendrá una mayor velocidad de deformación, mayor deformación total y menor tiempo de vida (figura 2.21); (c) el nivel de carga, presentándose una mayor velocidad de deformación, mayor deformación total y menor tiempo de vida al aumentar el valor de los esfuerzos (figura 2.21); (d) el tiempo de exposición, donde entre más tiempo de trabajo sea expuesto el material a carga a altas temperaturas, se tendrá una menor vida de servicio; (e) la geometría, acentuándose la deformación plástica y el agrietamiento en los concentradores de esfuerzo; (f) el medio ambiente, ya que a altas temperaturas es común que se tenga oxidación, lo cual podrá acentuar el agrietamiento superficial, vía la oxidación intergranular, y/o disminuir el tiempo de servicio por la reducción de espesores y el aumento de esfuerzos asociado.

En aleaciones metálicas el mecanismo propuesto de deformación plástica por fluencia lenta es el siguiente (figura 2.22): (a) el esfuerzo aplicado al material produce deformación plástica, vía la generación y movimiento de dislocaciones dentro de los granos, lo cual empezará a generar endurecimiento por deformación en la medida en que haya más dislocaciones y estén apiladas contra obstáculos (partículas de segunda fase, límites de grano, etcétera); (b) la alta temperatura implica la presencia de un alto número de vacancias y elevada movilidad de los átomos y, por lo tanto, de estas vacancias (difusividad); lo anterior hace que continuamente se esté anulando el exceso de dislocaciones producidas en la deformación plástica, favoreciéndose que estas puedan superar los obstáculos trepándolos, y se faciliten procesos de recristalización por migración de límites de grano; a esto se le conoce como recuperación térmica, y, por lo tanto, contrarresta al endurecimiento por deformación; (c) el endurecimiento por deformación y la recuperación térmica alcanzan un equilibrio donde se forman configuraciones de dislocaciones estables en el interior de los granos, lo que significa que la velocidad de creación de dislocaciones se iguala con la de su neutralización, teniéndose así la posibilidad de tener fluencia a carga constante (el hecho de estar creando dislocaciones implica tener deslizamiento); (d) aparte del deslizamiento interno en los granos, también se presenta deslizamiento entre los límites de grano; (e) formación de microvacíos en límites de grano por encima de la temperatura equicohesiva, lo cual es consecuencia del deslizamiento entre los granos y/o de la difusión de átomos y vacancias por la elevada temperatura; este fenómeno desembocará en coalescencia de microvacíos y agrietamiento intergranular; (f) formación de microvacíos en el interior de los granos por debajo de la temperatura equicohesiva, los cuales se forman en partículas de segunda fase, inclusiones o zonas de alta energía; este fenómeno desembocará en coalescencia de microvacíos y agrietamiento transgranular; (g) transformaciones microestructurales a la temperatura y nivel de esfuerzos de trabajo que pueden generar dos efectos básicos: 1) acelerar la termofluencia (merma de la resistencia aumentando la movilidad de las dislocaciones) o 2) contrarrestar el fenómeno, por ejemplo, a través de la precipitación de fases duras finas, que se opongan al movimiento de las dislocaciones (endurecimiento por deformación).

La deformación total por termofluencia estará compuesta de: (1) la debida al deslizamiento interno de los granos y (2) la producida por el deslizamiento entre granos. En la termofluencia primaria y secundaria predomina el deslizamiento interno de los granos, pero cerca del final de la termofluencia secundaria y, especialmente en la terciaria, el deslizamiento entre granos cobrará relevancia si se está por encima de la temperatura equicohesiva, facilitando así la formación de microvacíos entre granos, el agrietamiento y, finalmente, la fractura intergranular. Por debajo de la temperatura equicohesiva predominará durante todo el fenómeno la deformación por deslizamiento interno de los granos, desembocando al final en fractura transgranular.

Durante la termofluencia primaria, debido a que las dislocaciones no están apiladas contra obstáculos, se tienen altas velocidades de deformación, pero este proceso rápidamente genera una gran cantidad de dislocaciones nuevas y apilamientos que aumentan el endurecimiento por deformación, contrarrestando dicha velocidad; de no haber recuperación térmica, la deformación plástica cesaría, sin embargo, por la aniquilación y movilidad de las dislocaciones, se alcanza el estado de equilibrio, a partir del cual inicia la termofluencia secundaria. En la termofluencia secundaria se tiene un arreglo estable de dislocaciones en el interior de los granos, lo que permite tener una rata de deformación aproximadamente constante, a partir de la cual se pueden hacer cálculos de vida de las piezas. El arreglo estable de dislocaciones se facilita en aleaciones con alta energía de apilamiento, lo cual favorece la formación de subgranos de bajo ángulo; en aleaciones con baja energía de apilamiento se tiende más a recristalizar. En la termofluencia terciaria puede darse acuellamiento (inestabilidad plástica que incrementa los esfuerzos localmente) y/o recristalización del material, lo cual aumenta la movilidad de las dislocaciones aumentando la velocidad de deformación.

Figura 2.22 Esquematización del mecanismo de deformación plástica por termofluencia

Nota. (a) Material en estado original, donde en rojo se esquematizan las dislocaciones; (b) ante el esfuerzo se produce deslizamiento intragranular, generando, desplazando y apilando las dislocaciones contra obstáculos; (c) la recuperación térmica disminuye y mantiene el número y configuración de dislocaciones, recristaliza los granos y hay cambios microestructurales (las esferas negras indican a manera de ejemplo la globulización de una fase); (d) se da deslizamiento intergranular, especialmente si se está por encima de la temperatura equicohesiva; (e) el deslizamiento intergranular y la difusión de vacancias generan microvacíos (verdes), en límites de grano; (f) si la temperatura es inferior a la equicohesiva, se formarán microvacíos intragranulares (verdes), en sitios de alta energía, como consecuencia principalmente del deslizamiento intragranular. En la figura 3.100 se muestra la fase final de este mecanismo, cuando termina en agrietamiento o fractura intergranular o transgranular.

Fuente: elaboración propia.

Si por encima de la temperatura equicohesiva, la formación de microvacíos en los límites de grano se concentra en puntos de intersección de tres granos, se les llama microvacíos del tipo cuña, por su forma típica, siendo consecuencia especialmente del deslizamiento entre granos; los microvacíos también se pueden formar entre dos granos, llamándoseles en este caso microvacíos del tipo redondeado, los cuales se forman principalmente por la difusión de átomos y vacancias. La formación de los microvacíos del tipo cuña es común, cuando se apliquen altos valores de esfuerzo y se tengan temperaturas no tan elevadas (pero superiores a la equicohesiva), donde predomina el deslizamiento entre los cristales. Estos microvacíos pueden iniciar su formación a partir del clivaje de partículas de segunda fase, ubicadas en los límites de grano. La formación de los microvacíos del tipo redondeado es común cuando se apliquen bajas velocidades de deformación y altas temperaturas, lo que favorece la difusión de vacancias en los límites de grano. A esfuerzos bajos estos microvacíos se pueden formar en el interior de los granos, en las interfaces de la matriz con partículas de segunda fase. Los microvacíos también pueden ser consecuencia de diferencias en las ratas de deformación interna entre granos adyacentes. A la formación de microvacíos en límites de grano por termofluencia se le suele denominar cavitación por termofluencia.

Algunas de las transformaciones microestructurales más comunes que se pueden dar a alta temperatura son, a saber: (1) precipitación de nuevas fases, por ejemplo, la sensibilización de aceros inoxidables, donde se precipitan en límites de grano carburos de cromo; (2) crecimiento de fases, debido, por ejemplo, al sobreenvejecimiento; (3) disolución de fases, como disolución de inclusiones, carburos, etcétera; (4) crecimiento de grano; (5) recristalización, donde granos deformados previos a la termofluencia o generados en esta se regeneran; (6) oxidación de las superficies por el contacto con atmósferas oxidantes a alta temperatura; (7) fragilización a alta temperatura, producto de la difusión a límites de grano de elementos químicos fragilizantes, como el fósforo, el azufre, el cobre, el arsénico, el antimonio y el estaño para el caso de los aceros, lo cual está relacionado con el mecanismo de fragilización dinámica (véase numeral 3.14).

En aceros ferrito perlíticos o ferrito bainíticos (muy usados en tuberías para calderas), los cambios microestructurales más comunes a alta temperatura, que desembocan en una reducción de la resistencia a la termofluencia (disminución de la vida de servicio y/o aumento de la velocidad de deformación y/o merma en la capacidad de carga), son los siguientes: (a) esferoidización y embastecimiento de los carburos de la perlita y de la bainita, lo cual facilita el movimiento de las dislocaciones; (b) grafitización, donde el carburo de hierro se descompone parcialmente para formar grafito, lo cual facilita el movimiento de las dislocaciones y además concentra el esfuerzo alrededor de los nódulos grafíticos. La adición de cromo a los aceros retarda la posibilidad de grafitizar, y la estructura ferrito-bainítica muestra una mayor resistencia a la esferoidización que la ferrito-perlítica. Los aceros ferrito-bainíticos o perlíticos al cromo molibdeno, y los aceros inoxidables austeníticos muestran alta resistencia a la termofluencia, comparada con la de otros tipos de aceros (baja velocidad de deformación y mayor tolerancia al daño por agrietamiento).

En algunos aceros y aleaciones de níquel, la presencia de ciertos tipos de carburos y de ciertas morfologías incrementan la resistencia a la fluencia lenta. En las aleaciones de níquel para alta temperatura (álabes de turbinas), se logran bajas ratas de deformación por termofluencia mediante: (1) precipitación masiva de la fase en el interior de los granos, la cual limita el movimiento de las dislocaciones disminuyendo el efecto viscoso; (2) precipitación de carburos en límites de grano, los cuales disminuyen el deslizamiento entre los granos; y (3) se buscan tamaños de grano gruesos, con lo cual queda menor área de límites de grano, sobre la cual se pueda presentar deslizamiento y formación de microvacíos. En general, por encima de la temperatura equicohesiva, los metales de grano grueso serán más resistentes a la termofluencia que los de grano fino. En las lecturas [10-11] se podrá encontrar un tratamiento más profundo de la termofluencia.

2.2.4.2 Análisis de piezas deformadas por termofluencia

Una pieza se deformará plásticamente por termofluencia cuando: (1) se opere a una temperatura tal, que por recuperación térmica se contrarreste el endurecimiento por deformación; (2) exista una carga constante en el tiempo —también puede ser variable, en cuyo caso se habla de fatiga termomecánica (véase numeral 3.16)—; y (3) se da el tiempo suficiente para que se manifieste un determinado nivel de deformación.

A simple vista, las piezas con deformación plástica por termofluencia mostrarán distorsión permanente producto de la deformación, y si la pieza llegó hasta las etapas finales de la termofluencia secundaria o hasta la termofluencia terciaria, se podrán apreciar agrietamientos o zonas de inestabilidad plástica (acuellamientos) (figura 2.23). En la mayoría de aplicaciones a alta temperatura, las piezas fallan cuando sobrepasan un valor máximo de deformación verdadera admisible, la cual puede ser tan baja como del 1 %; una deformación así no se detecta fácilmente por inspección visual, sino que debe recurrirse al estudio metrológico para ello. Una deformación plástica localizada por termofluencia se puede deber a una distribución no homogénea de esfuerzo (concentradores), o a una distribución no homogénea de temperaturas, lo cual puede ocurrir en motores térmicos o calderas. Cuando la distribución de esfuerzos y temperaturas es uniforme, se presentará deformación plástica generalizada en todas las zonas de la pieza.

Figura 2.23 Deformación plástica por termofluencia

Nota. Tubo de caldera acuatubular hecho de acero de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que mostró aumento de diámetro por termofluencia (izquierda); deformación plástica por termofluencia localizada en un tubo similar, en zona orientada hacia el hogar de la caldera, donde la temperatura es mayor (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar las piezas deformadas por termofluencia en secciones metalográficas, será posible detectar: (a) la formación de microvacíos (figura 2.24, superior izquierda) y (b) los cambios microestructurales que se hayan dado (figura 2.24, superior derecha). En las etapas finales de la termofluencia secundaria y en la termofluencia terciaria se podrá notar cómo los microvacíos en límites de grano empiezan a coalescer y a alinearse formando grietas, que son perpendiculares al esfuerzo máximo de tracción local (figura 2.24, inferior). Debido a la recuperación térmica y a la recristalización, no es común notar que los granos se encuentren alargados en el sentido de la deformación; sin embargo, si la temperatura fue inferior a la equicohesiva y el esfuerzo o la velocidad de deformación fueron muy altos, se podrá hacer que predomine el deslizamiento interno dentro de los granos como mecanismo de falla, con lo cual los granos sí se podrán ver alargados ante inspección metalográfica.

Figura 2.24 Secciones metalográficas de tubos de caldera de aceros de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que experimentaron daño por termofluencia

Nota. Formación de microvacíos en límites de grano, producto del deslizamiento intergranular (superior izquierda); detalle de la globulización del carburo de hierro por la alta temperatura, en el mismo tubo de la imagen anterior (superior derecha); detalle de una zona del tubo anterior, donde los microvacíos están coalesciendo para formar grietas perpendiculares al esfuerzo principal de tracción (inferior); las flechas azules indican la orientación de dicho esfuerzo. Ataques químicos realizados con nital al 3 %.

Fuente: elaboración propia.