¿Qué es la falla de fluencia y las etapas de la fluencia?

Que es Creep

Es un mecanismo de falla que puede ocurrir en un material expuesto durante un período de tiempo prolongado a una carga por debajo de su límite elástico (tensión de fluencia), aumentando la longitud del material en la dirección de la tensión aplicada. La velocidad de deformación aumenta con el aumento de la temperatura, por lo que es importante conocer la velocidad de deformación a una carga y temperatura determinadas si los componentes se van a diseñar de forma segura para un servicio de alta temperatura. Para ello, se desarrollan aleaciones resistentes a la fluencia. Todos los metales y aleaciones se ven afectados por la fluencia.

En los metales, la falla por fluencia ocurre en los límites del grano para producir una fractura intergranular. La Figura 1 muestra los vacíos que se forman en los límites del grano en la etapa inicial de la fluencia.

Figura 1. Huecos de fluencia

Tipos de fallas por fluencia

Hay varios tipos de fallas por fluencia que se pueden caracterizar de la siguiente manera:

Fallo por fluencia intergranular

Esto ocurre después de una exposición prolongada a la temperatura y el estrés. Las primeras etapas de la fluencia a largo plazo se manifiestan como vacíos en los límites de los granos, que posteriormente se unen para formar fisuras / grietas en los límites de los granos. Como resultado, hay poca reducción en el área de la sección transversal y se produce una fractura de paredes gruesas. La metalografía de replicación no destructiva es un medio eficaz para determinar la presencia de daños por fluencia a largo plazo.

Además, las laminillas de carburo de hierro en la estructura de perlita de los aceros al carbono se degradarán térmicamente a carburo de hierro esferoidizado como resultado del sobrecalentamiento a largo plazo. La descomposición continua en aceros al carbono simples puede resultar en una degradación total a grafito más ferrita. Esta degradación también se puede detectar mediante metalografía de replicación.

Fractura por fluencia transgranular

Este tipo de fractura puede ocurrir en fallas por fluencia de corta duración. La ductilidad y la reducción del área suelen ser grandes y mucho mayores que a temperatura ambiente, lo que produce una fractura abultada y de paredes delgadas.

Fractura por ruptura puntual

A temperaturas suficientemente altas y tensiones bajas, la recristalización durante la fluencia puede eliminar el daño microestructural por fluencia. Como resultado, los vacíos no se nuclean y pueden producirse estrechamientos hasta un punto.

Las adiciones de cromo y molibdeno en los aceros pueden aumentar la vida útil de la fluencia. La limpieza mecánica o química se usa generalmente para eliminar la acumulación de depósitos en los tubos de la caldera, lo que reduce el riesgo de puntos calientes locales. Un programa de inspección apropiado que incluya el monitoreo de la pérdida de espesor de la pared, la degradación microestructural y el daño por fluencia también es un medio eficaz para reducir la probabilidad de falla por fluencia.

Etapas de falla por fluencia en materiales

La falla por fluencia ocurre en tres fases diferentes en los materiales cuando se someten a su temperatura de fluencia. En estas etapas de fluencia, el material pierde progresivamente su solidez y forma huecos de fluencia. Estos huecos de fluencia bajo carga adicional se propagarán en grietas inducidas por fluencia.

  1. Fluencia primaria : un rápido aumento en la longitud donde la tasa de fluencia disminuye a medida que el trabajo del metal se endurece.
  2. Fluencia secundaria (estado estacionario): es un período de tasa de fluencia casi constante y es el período que forma la mayor parte de la vida de fluencia de un componente.

3. Fluencia terciaria: Ocurre cuando la vida de la fluencia está casi agotada, se han formado huecos en el material y se ha reducido el área de la sección transversal efectiva. La tasa de fluencia se acelera a medida que aumenta la tensión por unidad de área hasta que la muestra finalmente falla.

Las diferentes etapas de fluencia y sus respectivas condiciones de material se muestran en la siguiente figura 2.

Etapas de falla por fluencia
Figura 2. Curva de fluencia

Mecanismo de falla por fluencia

A temperaturas y tensiones elevadas, mucho menos que el límite elástico de alta temperatura, los metales sufren una deformación plástica permanente llamada fluencia. La figura 3 muestra una curva de fluencia esquemática para una carga constante; una trama del cambio de longitud frente al tiempo. El peso o la carga de la muestra se mantiene constante durante la prueba. Hay cuatro partes de la curva que son de interés:

Figura 3 Curva de fluencia esquemática
  • Una tasa inicial abrupta que es al menos en parte de origen elástico, desde el punto “0” al punto “A” en la Figura 3 anterior.
     
  • A esto le sigue una región en la que la tasa de alargamiento o deformación disminuye con el tiempo, la denominada fluencia transitoria o primaria, desde la región “A” a “B” de la figura anterior. La parte del punto “0” al punto “B” se produce con bastante rapidez.
     
  • La siguiente parte de la curva de fluencia es el área de interés de ingeniería, donde la tasa de fluencia es casi constante. La porción de “B” a “C” es casi lineal y predecible. Dependiendo de la carga o el estrés, el tiempo puede ser muy largo; dos años en una prueba y varias décadas en servicio.
     
  • La cuarta parte de la curva de fluencia, más allá de la tasa de fluencia constante o la región lineal, muestra una tasa de fluencia que aumenta rápidamente y que culmina en una falla. Incluso en condiciones de prueba de carga constante, la tensión efectiva puede aumentar debido al daño que se forma dentro de la microestructura.

Características de las fallas por fluencia

Las fallas por fluencia se caracterizan por:

  • abultamiento o ampollas en el tubo.
  • fracturas de bordes gruesos a menudo con muy poca ductilidad obvia.
  • “grietas por tensión” longitudinales en una o ambas escalas de óxido de DI y DE.
  • espesores de escala de óxido externos o internos que sugieren temperaturas más altas de lo esperado.
  • huecos intergranulares y grietas en la microestructura

Temperatura de fluencia inicial de los materiales

La temperatura de fluencia inicial del acero al carbono, C-0.5Mo, 1.25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo y acero inoxidable se muestra en la siguiente tabla.

Acero carbono…………………..800 o F
Carbono + 1/2 Molibdeno …………850 o F
1-1 / 4 Cromo-1/2 Molibdeno ……950 o F
2-1 / 4 Cromo-1 Molibdeno …….1000 o F
Acero inoxidable………………..1050 o F

Falla por fluencia versus falla por fatiga

La fatiga es una situación en la que el componente está sujeto a cargas cíclicas. La tensión de diseño que es la resistencia de resistencia utilizada en la carga de fatiga es mucho menor que la resistencia a la fluencia y la resistencia máxima del material. El 90 por ciento de los componentes de la máquina fallan debido a la fatiga. Por ejemplo, es difícil romper un cable estirándolo, pero si aplicamos una carga cíclica y doblamos, desenrollamos el cable varias veces, se rompe fácilmente.
La fluencia es una situación en la que un componente experimenta una deformación bajo carga constante con el tiempo a medida que se pone en uso. El mejor ejemplo para ilustrar esto es que los cables eléctricos se aprietan (aprietan) cuando se instalan, pero después de algún tiempo experimentan combaduras debido al peso propio.