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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 dede creep se tornan importantes se encuentra alrededor de la temperatura T 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 rupturaEl 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 2000-
10000 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 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%.
estricción.
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 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:
Mecanismos: Creep difusional, creep de dislocaciones, deslizamiento de
fronteras de grano
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 .
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 donde d es el tamaño de grano promedio. El coeficiente A , 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 redSi 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 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
m: coeficiente de sensibilidad a la
velocidad de deformación.
Para comportamiento superplástico m
debe ser máximo.
.
σ =K ε m
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.
Ashby
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.
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
Mapa de mecanismos de deformación en
tres dimensiones de una aleación eutectoide Zn-Al.
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.
Mecanismos de fractura en creep
- Temperatura equicohesiva
Alta temperatura: fractura
intergranular. Combinación de
σ/E
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.
Fractura por creep
Las roturas desarrolladas a través de los
bordes de grano, son asociadas en el
fenómeno de creep con muy baja
ductilidad
Mecanismo de decohesión intergranularCadenas de cavidades uniéndose en aleación Cu-Al
