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ENSAYOS DE ALTA TEMPERATURACuando se estudia la deformacin y la
rotura de los metales, se supone que los fenmenos se desarrollan a
la temperatura ambiente y que la aplicacin de las cargas se
realizan en forma progresiva, sin tener en cuenta los efectos de su
permanencia. Tales condiciones que se las puede considerar como
normales, se alteran si variamos el tiempo de aplicacin de la
carga, el tiempo de permanencia o la temperatura del ensayo, o bien
conjuntamente todos estos factores. Los procesos de deformacin y
rotura, suponen movimientos de los tomos del material y lgicamente
estarn influenciado por el tiempo que permitimos para tales
movimientos y la temperatura. El proceso de deformacin lleva al
metal a un estado anormal; la energa potencial de sus tomos aumenta
y por lo tanto, se encuentra en un equilibrio termodinmicamente
inestable. Por esta razn, los factores tiempo y temperatura, no slo
altera los fenmenos durante el proceso de deformacin, sino tambin
los que se producen como consecuencia de la deformacin. Ensayos del
tiempo y la temperatura en la deformacin de un metal. RESTAURACION
RECRISTALIZACION ENVEJECIMIENTO. Hemos visto que la deformacin
transcristalina produce una consolidacin debido a la distorsin de
la red atmica. Como los tomos se encuentran por esa distorsin
separados de su posicin de equilibrio, esto hace que la red posea
una energa ms elevada, tendiendo a recuperar su nivel ms bajo, por
recuperacin de las posiciones atmicas normales de equilibrio. Este
efecto se denomina RESTAURACION, contrarresta la consolidacin y
elimina la acritud. Cuanto ms separados se encuentran los tomos de
su posicin de equilibrio, mayor ser la energa acumulada en el
sistema. Por lo tanto la Restauracin ser mayor, cuanto ms elevada
haya sido la consolidacin y cuanto mayor sea el tiempo que
permitimos para desarrollar este proceso. En cuanto a la
temperatura sabemos que al aumentar la energa cintica de los tomos,
disminuyen las ligaciones interatmicas, permitiendo un movimiento
de los tomos en forma ms fcil. Por tal motivo podemos decir, que el
tiempo y la temperatura, ejercen desde este punto de vista efectos
que tienen una misma finalidad; la cual es, la recuperacin del
equilibrio normal estable en la red atmica, una vez que desaparece
el esfuerzo perturbador que ha provocado esa distorsin. Si
representamos grficamente la variacin de la Dureza de un metal
deformado, con el tiempo de reposo a distintas temperaturas,
tendremos una series de curvas que indican que la dureza del metal
no slo disminuye con el tiempo, sino tambin con la temperatura a
que calentamos el metal, sin llegar a alcanzar la dureza que posea
el metal antes de ser deformado. La restauracin se realiza sin que
se altere la
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microestructura del metal, que continuar presentando los granos
alargados que haba producido la deformacin. Su accin es sobre los
tomos y la distorsin de las redes atmicas. RECRISTALIZACION Como
hemos visto en el punto anterior, la Restauracin aumenta en
intensidad y rapidez conforme aumenta la temperatura. Pero si esta
pasa de un cierto lmite se desarrolla en el metal un nuevo fenmeno
en virtud del cual desaparecen los granos alargados por la
deformacin, engendrndose nuevos granos muy finos y de forma
equiaxial, constituyendo una nueva estructura granular. Este
fenmeno se llama RECRISTALIZACION, permitiendo que el metal
recupere totalmente su dureza y resistencia primitiva. La
Recristalizacin no slo afecta a la estructura atmica del metal,
sino a la granular, de modo que los nuevos granos formados son
independientes de los granos anteriores deformados y sus redes no
tienen ninguna distorsin. Mientras que en la Restauracin la
recuperacin de las propiedades es slo parcial, en la
Recristalizacin la recuperacin es total. En la Recristalizacin el
tiempo no ejerce casi influencia y si la temperatura no es la
apropiada, la Recristalizacin no se produce por ms tiempo que
permanezca el metal en ella. ENVEJECIMIENTO Si una muestra de
hierro o acero previamente deformada, la sometemos a temperaturas
crecientes y para cada una de ellas determinamos la dureza de la
muestra, obtenemos una curva como la indicada. Vemos que la
resistencia a la deformacin al principio disminuye como
consecuencia de la restauracin, pero luego comienza a crecer
conforme aumenta la temperatura y alcanza el valor mximo entre 250
y 350 C para despus disminuir. Podemos ver entonces que calentando
a ciertos lmites se logra alcanzar acritud plena. Este fenmeno se
llama ENVEJECIMIENTO. El Envejecimiento es contrario a la
restauracin y es por eso que al principio y a bajas temperaturas
predomina el efecto de restauracin, producindose una disminucin de
la acritud, pero conforme se eleva la temperatura, aumenta la
movilidad atmica y se facilita la precipitacin que adquiere un
efecto preponderante y la acritud aumenta. Si la temperatura sigue
creciendo, fenmenos de recristalizacin contrarrestan el efecto
endurecedor del envejecimiento y la resistencia a deformacin
disminuye. Por lo expuesto, podemos decir que el Envejecimiento
endurece el metal, mientras que la Restauracin y la Recristalizacin
lo ablandan. El tiempo de reposo tambin produce efectos de
envejecimiento, pero en forma muy lenta ya que para obtener
variaciones del 2% de resistencia, se precisan varios meses para
lograrlo.
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INFLUENCIA DEL TIEMPO DE APLICACIN DE UNA CARGA. Si a una
probeta la sometemos a un esfuerzo de traccin esttica constante y a
una cierta temperatura, se nota que para cierto valor de sta y
cierto valor constante del esfuerzo, la probeta sigue deformndose
plsticamente hasta llegar, despus de un lapso de tiempo mas o menos
largo, a la rotura. En la prctica se admite que para cada tipo de
material existe un lmite de escurrimiento en determinadas
condiciones de temperatura y carga constante, definindose como
Creep-Limit o Lmite de Escurrimiento. FLUENCIA LENTA Y VELOCIDAD DE
LA MISMA La fluencia lenta ha sido definida como un aumento
progresivo del alargamiento del material bajo una carga constante.
La velocidad de fluencia lenta es por tanto la magnitud de sta (
aumento de alargamiento por unidad de tiempo). RESISTENCIA A
ESFUERZOS DE LARGA DURACION Es la misma tensin constante R=F/S0 que
al cabo de un tiempo determinado (por ej: 10000hs.) y a una
temperatura estipulada da lugar a la rotura de la probeta.
RESISTENCIA CONTINUA E INDEFINIDA A LA FLUENCIA LENTA Es la mxima
tensin constante R= F/S0 a la que el material, a una determinada
temperatura, puede ser sometido sin lmite de tiempo. Tambin se
define como resistencia indefinida a la fluencia lenta, o lmite de
fluencia lenta, a la tensin R= F/S0 en la que la velocidad de
fluencia lenta alcanza un valor medio de 0.001% / h. Adems con una
duracin de ensayo de 45 horas, el alargamiento permanente no debe
sobrepasar despus de la descarga, el valor de 0.2 %, es decir, el
alargamiento del lmite de fluencia. INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN
LA DEFORMACION Como ya hemos visto el efecto general de la
temperatura es reducir la resistencia que ofrece el metal a la
deformacin. Si consideramos el grfico de la resistencia a la
deformacin del hierro o del acero a velocidad normal de aplicacin
de carga; obtenemos que al aumentar la temperatura la resistencia a
la deformacin disminuye mientras que la cantidad de deformacin
aumenta. Pasados ciertos lmites de temperatura comienza a sentirse
el efecto del envejecimiento y entonces el incremento de
temperatura produce una reduccin en la deformacin, por lo tanto un
aumento de la resistencia.
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Se ha comprobado que en los metales no frreos, el efecto de
envejecimiento se nota menos y en las curvas correspondientes el
bucle CDEF es bien menor. En el diagrama podemos observar que a la
temperatura de 185C, el hierro tiene su mxima resistencia y que sta
desciende al aumentar la temperatura. A los 80 C tenemos el punto
ms bajo y a partir de sta temperatura, la resistencia aumenta
alcanzando su valor mximo a la temperatura de 250 C. El valor de la
resistencia para esta temperatura es superior al que posee a 0 C.
Incrementos de temperatura determinan una disminucin de
resistencia. En los metales no ferrosos Cu Al Sn Pb el efecto de
envejecimiento es mucho menos importante y slo se acusa por ligeras
inflexiones en las curvas que expresan el retardo que sufre el
ritmo descendente de la resistencia, sin que esto llegue a provocar
un aumento de la resistencia del metal. Vemos que hay metales que a
temperatura ambiente se comportan como otros a alta temperatura.
DEFORMACION INTERGRANULAR TEMPERATURA EQUICOHESIVA. Ya hemos visto
que un metal solidificado presenta un conjunto de granos
cristalinos rodeados de una pelcula de metal amorfo que sirve a
manera de cemento de unin entre los granos. Esta pelcula de unin
puede considerarse a temperatura ambiente y para cargas rpidas como
ms resistente que la cristalina y es por eso que normalmente la
deformacin plstica se produce segn un proceso transcristalino. Por
la naturaleza semiamorfa de esta pelcula de unin de los granos, la
resistencia de la misma vara mucho con la temperatura y as como
puede considerarse muy elevada para la temperatura ambiente, a la
temperatura de fusin esta resistencia de la pelcula es muy
reducida. Si representamos las curvas de variacin de resistencia de
la fase cristalina y amorfa de un metal tendremos lo siguiente:
AEC: fase amorfa BED: fase cristalina La forma amorfa parte de una
resistencia prcticamente nula a la temperatura de solidificacin. La
cristalina por lo contrario por la rigidez de la red que se forma
posee una resistencia definida. Al descender la temperatura ambas
resistencias crecen, poco ms la amorfa que la cristalina. Ambas
curvas se cortan en un punto cuya temperatura corresponde a aquella
en que la fase cristalina y amorfa presentan igual resistencia.
JEFFRIES design esta temperatura como Temperatura Equicohesiva.
Esta temperatura nos divide la escala de temperatura en dos
regiones en las que el metal presentar procesos de deformacin
diferentes. Por debajo de O la deformacin ser
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preferentemente trnscristalina, con efectos de acritud, etc. Por
encima de ella la deformacin ser intergranular, deformndose el
metal segn un proceso fluido, sin acritud ni ninguno de los
fenmenos caractersticos de la deformacin plstica. La velocidad de
aplicacin de la carga influye en la temperatura equicohesiva de
modo que velocidad alta eleva la temperatura y por el contrario con
velocidades lentas. Por esto en la fluencia, an a temperaturas
bajas, hay que considerar que nos encontramos en la temperatura
equicohesiva y la deformacin transcristalina e intergranular se
producirn simultneamente. RELACION ALARGAMIENTO TIEMPO EN CREEP Si
a un material, a la temperatura ambiente, se le aplica una tensin
de traccin cuyo valor sea inferior al lmite de proporcionalidad, se
producir en el mismo un alargamiento elstico inmediatamente despus
de aplicada la carga, que permanecer constante cualquiera sea el
tiempo de aplicacin. Si llevamos sta deformacin aun diagrama
alargamiento-tiempo, la misma quedar indicada por la ordenada OA y
la abscisa AB. Si bajo la misma tensin elevamos la temperatura, se
produce un alargamiento inmediato OC, mayor que el anterior, debido
principalmente a que el mdulo de elasticidad de los metales
disminuye al aumentar la temperatura. Para la tensin y la
temperatura empleadas, el material podr o no llegar a la rotura, si
esta tiene lugar, el material experimentar deformaciones que
variarn con el tiempo de acuerdo a la curva 1, producindose la
fractura en el punto F al cabo del tiempo t3, en caso contrario,
presentar deformacin final estable, curva 2,que nos indica que
aunque las mismas aumenten no se llegar al perodo de estriccin del
material. El estudio de estas curvas admiten tres consideraciones:
1) El alargamiento inicial es rpido y a medida que ste aumenta, la
velocidad de creep disminuye (Curva CD). Se denomina primera etapa
de creep y termina en el tiempo t1. 2) La segunda etapa del creep
es una variacin lineal DE, que nos indica que las deformaciones se
producen a velocidad constante y cuyo valor de velocidad de creep,
est dado por el producto de la tangente trigonomtrica del ngulo que
forma con la horizontal (
