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• Kriss Flores

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INTRODUCCION AL CREEP Comportamiento mecánico de materiales a altas temperaturas

Creep Deformación que evoluciona con el tiempo a tensión constante una vez aplicada la carga. En materiales metálicos y cerámicos la deformación por creep es significativa a partir de temperaturas en el rango 0,3 a 0,6 Tf. Por el contrario, para los vidrios y polímeros la temperatura a la cual los fenómenos de creep se tornan importantes se encuentra alrededor de la temperatura Tg de transición vítrea del material. De manera que mientras los metales en general no sufrirán efectos de creep a temperatura ambiente, muchos vidrios y polímeros lo harán. La adecuada selección de materiales para servicio a alta temperatura es un factor esencial en el diseño resistente al creep. En general, las aleaciones metálicas empleadas contienen elementos tales como Cr, Ni, y Co en distintas proporciones según las características específicas buscadas.

Resistencia a alta temperatura

Ensayos de corta duración: Tensión vs. Temperatura para deformar 3% en 10’

Creep vs Oxidación Dado que la actividad química de los materiales aumenta con la temperatura, las consideraciones relacionadas con la resistencia a la corrosión y oxidación se tornan esenciales en la selección de materiales para servicio a temperaturas elevadas.

Ensayos de creep Carga constante a una barra en tracción o compresión a la temperatura de interés. (Norma ASTM E-139)

La tensión verdadera no se mantiene constante

Curva Deformación vs tiempo Creep primario, secundario y terciario. Durante la etapa I o de creep primario, la velocidad de deformación dε/dt disminuye progresivamente hasta alcanzar un valor constante que marca el comienzo de la etapa II de creep secundario también llamada de creep estacionario. Finalizada esta etapa se observa un aumento de la velocidad de deformación que conduce a fenómenos de estricción y rotura (etapa III).

Curva: A: tensión ingenieril (carga) constante B: tensión verdadera constante.

Velocidad de deformación vs. Deformación

Tiempo a ruptura El parámetro usualmente empleado para caracterizar la resistencia al creep de materiales metálicos en ensayos de corta duración (1000 hs o menos) es el tiempo a ruptura tr, para una dada tensión ingenieril y temperatura.

En un ensayo de tensión verdadera constante la etapa III difiere notablemente respecto de un ensayo a carga constante, pudiendo prolongarse hasta unas 200010000 hs, o más. En estos ensayos el parámetro más importante es la velocidad de deformación estacionaria mínima dεs/dt .

Curvas Isócronas curvas tensión-deformación para valores de tiempo constante, llamadas por lo tanto curvas tensión-deformación isócronas . A partir de ellas puede obtenerse el módulo secante ES correspondiente a un valor específico de deformación. En los polímeros por ejemplo, es frecuente utilizar curvas de tensión-deformación isócronas para determinar el módulo secante ES para un dado ε.

Polímeros Curvas de vida para cloruro de polivinilo a temperatura ambiente para tres valores de deformación y para el inicio de la estricción.

Mientras que en los ensayos de corta duración (Rupture Creep Tests), la deformaciones involucradas son del orden del 50%, en los de larga duración normalmente no superan 0.5%.

Relaciones entre tiempo, temperatura, tensión y velocidad de deformación Dado que los ensayos de corta y larga duración son esencialmente similares aunque difieran en el rango de tensiones y de temperaturas, es razonable esperar que exista algún tipo de relación que permita vincular los resultados de ambos tipos de ensayos. Por ejemplo, Monkman y Grant identificaron la siguiente relación empírica entre el tiempo de ruptura tr medido en un ensayo de corta duración, y la velocidad de creep estacionario dε/dt medida en una ensayo de larga duración

donde m y B son constantes que dependen del material. Se ha determinado que para diversas aleaciones de aluminio, cobre, titanio, base níquel y base hierro, es 0.77 < m < 0.93 y 0.48 < B < 1.3.

Se han desarrollado un número de otras relaciones para vincular la deformación en el creep primario con el tiempo bajo carga y temperatura. Por ejemplo, definiendo al Temperatura Homóloga Th como el cociente T/Tf, resulta que para 0.05 < Th < 0.3 y para pequeñas deformaciones, muchos materiales exhiben un comportamiento de creep logarítmico

Velocidad de creep estacionario Dado que tanto la vida al creep de un material como la deformación total es fuertemente dependiente de la velocidad de creep estacionario, es importante analizar las variables que afectan a ésta. En general puede escribirse

donde m1 representa el grupo de variables que corresponden a propiedades intrínsecas del la red cristalina del material, tales como el módulo de corte G, y la estructura cristalina. En cambio m2 agrupa las variables que representan factores metalúrgicos tales como el tamaño de grano y de subgrano, la energía de falla de apilamiento e historia termomecánica (que a su vez son dependientes de T, σ y ε), etc.

Mecanismos de Creep Los mecanismos físicos de deformación por creep difieren con los materiales. Aun para un mismo material, diferentes mecanismos pueden actuar bajo distintas combinaciones de tensión y temperatura. Dado que el movimiento de átomos, vacancias, dislocaciones o moléculas en un material sólido se produce por difusión. La cinética de estos fenómenos está controlada por la ecuación de Arrhenius:

donde A es una constante del material, Q la energía de activación correspondiente al fenómeno que controla la velocidad de deformación (P.Ej. difusión de vacancias o algún otro), R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta .

Mecanismos: Creep difusional, creep de dislocaciones, deslizamiento de fronteras de grano

Una ecuación que ha sido propuesta para el creep estacionario en materiales cristalinos, es

donde d es el tamaño de grano promedio. El coeficiente A1, los exponentes m y q, y la energía de activación Q dependen del material y del mecanismo de creep particular actuante. Dicha ecuación nos muestra que todos los mecanismos son térmicamente activados. Sin embargo hay una dependencia débil con la inversa de T

Flujo difusional El flujo difusional puede ocurrir a bajas tensiones pero requiere altas temperaturas. Este mecanismo implica el movimiento de vacancias y ocurre por la formación espontánea de vacancias en las regiones de los bordes de grano que se encuentran esencialmente normales a la tensión aplicada. Esta distribución desigual produce un flujo de vacancias hacia zonas de menor concentración. Acompañando a este flujo de vacancias habrá un flujo de átomos en sentido contrario. Si las vacancias se mueven a través de la red cristalina, el fenómeno se denomina creep Nabarro-Herring. En este caso se ha determinado que m = 1 y q = 2. En cambio, si las vacancias se mueven a lo largo de los bordes de grano, el proceso se llama creep Coble, y en este caso es m = 1 y q = 3. Las energías de activación involucradas en ambos procesos corresponden a las de autodifusión de vacancias o de difusión de vacancias en borde grano respectivamente.

Creep de dislocaciones El creep de dislocaciones involucra el movimiento de dislocaciones además del de vacancias. Consecuentemente se requieren altas tensiones pero el proceso puede desarrollarse a temperaturas intermedias en las que el flujo difusional es escaso. El mecanismo es complejo y no está totalmente comprendido aunque se estima que el movimiento no conservativo de dislocaciones por trepado debe jugar un papel importante en el mismo. En este caso de ha determinado que m varía para distintos materiales entre 3 y 8 (típicamente m = 5) y la energía de activación coincide con la de autodifusión, lo que da pié a la hipótesis acerca del rol del mecanismo de trepado. No hay en cambio dependencia con el tamaño de grano (q = 0).

Energía de Activación Ahora bien, a temperaturas homólogas Th > 0.5 el modo de creep dominante es el estacionario. La suposición más simple es que el proceso es térmicamente activado por lo que sigue una ley de tipo Arrhenius, es decir

de manera que en un gráfico log (dεs/dt) vs. 1/T, obtenemos rectas de pendiente –Q/2.3R El hecho de que las líneas de isotensión sean rectas indica que solo un mecanismo controla el la velocidad de creep

Parámetro Larson-Miller Para la mayoría de las aleaciones C1 varía entre 15 y 25 según el material

Este parámetro tiene como premisa básica que la energía de activación se mantiene constante . Así , el parámetro de L-M permanece constante para distintas combinaciones de T y t, lo que nos permite efectuar predicciones a largo plazo a partir de datos de corto plazo obtenidos a mayor temperatura.

Superplasticidad . σ =K ε

m

m: coeficiente de sensibilidad a la velocidad de deformación. Para comportamiento superplástico m debe ser máximo.

Deformación a rotura (Hasta 8000%)

Efecto de la velocidad de deformación y tamaño de grano

Deslizamiento de bordes de grano Existen dos tipos de comportamiento superplástico. El más conocido y estudiado es la superplasticidad de estructuras finas (FSS) y el segundo es la superplasticidad de tensiones internas (ISS), las cuales se refieren al desarrollo de tensiones internas en ciertos materiales, los cuales presentan grandes periodos de deformación con tensiones aplicadas relativamente bajas.

Mecanismo GBS producido por creep en una aleación de aluminio.

Mecanismo GBS producido en una aleación de plomo revelada con técnica de interferometría.

El modelo más conocido para el acomodamiento por deslizamiento de borde de grano (GBS), fue propuesto primeramente por Ashby y Verral. Este fenómeno observado experimentalmente refleja un corrimiento de los granos equiaxiales a través de la deformación. La figura (a) muestra un modelo bidimensional en el cual los cuatro granos deslizan y se forma un hueco entre ellos. Los granos luego rotan continuando dicho proceso muy cerca del hueco, produciéndose elongaciones con giros de los granos.

Mapas de Deformación Estos mapas nos dan información sobre los mecanismos dominantes a distintas combinaciones de tensión y temperatura.

Los detalles de un mapa de un material en particular variarán con los detalles específicos de su procesamiento, por ejemplo con el tamaño de grano.

Ashby

A bajas tensiones, dos mecanismos de deformación se desarrollan: el de Coble y el de Navarro-Herring. A tensiones intermedias, el mecanismo de superplasticidad es el que controla el creep (los puntos caen en líneas paralelas dependiendo del tamaño de grano). A tensiones elevadas, el creep es controlado por el mecanismo de trepado de dislocaciones y todos los puntos convergen en una sola línea, independientemente del tamaño de grano.

Mapa de mecanismos de deformación en tres dimensiones de una aleación eutectoide Zn-Al.

Mecanismos de fractura en creep - Temperatura equicohesiva Alta temperatura: fractura intergranular. Combinación de GBS y GBC (concentración de tensiones en GB, puntos triples o partículas duras).

- Mapa de mecanismos de fractura: fractura dúctil, fractura trasngranular, fractura intergranular y ruptura para nickel.

σ/E

Fractura por creep Las roturas desarrolladas a través de los bordes de grano, son asociadas en el fenómeno de creep con muy baja ductilidad

Cadenas de cavidades uniéndose en aleación Cu-Al

Mecanismo de decohesión intergranular