¿Qué es la falla de fluencia y las etapas de fluencia – www.materialwelding.com

Qué es Fluencia

Es un mecanismo de falla que puede ocurrir en un material expuesto durante un período prolongado de tiempo a una carga por debajo de su límite elástico (tensión de fluencia), el material aumenta en longitud 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 dadas si los componentes deben diseñarse de forma segura para el servicio a alta temperatura. Para este propósito, se desarrollan aleaciones resistentes a la fluencia. Todos los metales y aleaciones se ven afectados por la fluencia.

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

Tipos de fallas de fluencia

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

Falla de 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 del grano, que posteriormente se unen para formar fisuras/grietas en los límites del grano. Como resultado, hay poca reducción en el área de la sección transversal y se produce una fractura de pared gruesa. La metalografía de replicación no destructiva es un medio eficaz para determinar la presencia de daños por fluencia a largo plazo.

Además, las plaquetas 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 lisos 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 a corto plazo. La ductilidad y la reducción de área son generalmente grandes y mucho mayores que a temperatura ambiente, produciendo una fractura abultada de paredes delgadas.

Fractura por ruptura puntual

A temperaturas suficientemente altas y tensiones bajas, la recristalización durante la fluencia puede eliminar el daño por fluencia microestructural. Como resultado, los vacíos no se nuclean, y pueden ocurrir cuellos hacia abajo 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 utiliza generalmente para eliminar la acumulación de depósitos en tubos de calderas, lo que reduce el riesgo de puntos calientes locales. Un programa de inspección adecuado que incluya el monitoreo de la pérdida de espesor de 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 de fluencia en materiales

La falla de fluencia se produce en tres fases diferentes en 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 de longitud donde la velocidad de fluencia disminuye a medida que el trabajo del metal se endurece.
2. Fluencia secundaria (estado estacionario): es un período de velocidad 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 fluencia está casi agotada, se han formado vacíos en el material y se ha reducido el área de sección transversal efectiva. La velocidad 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 figura 2 siguiente.

Mecanismo de falla de fluencia

A temperaturas y tensiones elevadas, mucho menores que la tensión de fluencia a alta temperatura, los metales sufren una deformación plástica permanente llamada fluencia. La Figura 3 muestra una curva esquemática de fluencia para una carga constante; una gráfica del cambio de longitud en comparación con el tiempo. El peso o carga de la muestra se mantiene constante durante todo el ensayo. Hay cuatro porciones de la curva que son de interés:

• Una tasa inicial elevada que es, al menos en parte, de origen elástico, desde el punto “0” hasta el punto “A” de la Figura 3 superior.
• Le sigue una región en la que la velocidad de elongación o deformación disminuye con el tiempo, la denominada fluencia transitoria o primaria, de la región “A” a la “B” de la figura anterior. La porción del punto ” 0 ” al punto “B” ocurre con bastante rapidez.
• La siguiente porción 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 esfuerzo, el tiempo puede ser muy largo; dos años en una prueba y varias décadas en servicio.
• La cuarta porción de la curva de fluencia, más allá de la velocidad de fluencia constante o región lineal, muestra una velocidad de fluencia en rápido aumento que culmina en un fallo. Incluso en condiciones de prueba de carga constante, el esfuerzo efectivo puede aumentar debido al daño que se forma dentro de la microestructura.

Características de fallas de fluencia

Las fallas de fluencia se caracterizan por:

• bultos o ampollas en el tubo.
• fracturas de bordes gruesos a menudo con muy poca ductilidad obvia.
• “fisuras de tensión” longitudinales en una o ambas escalas de óxido de DI y de DI.
• 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-0.5 Mo, 1.25 Cr-0.5 Mo, 2.25 Cr-1Mo y acero inoxidable se muestra en la tabla siguiente.

Fallo de fluencia vs. Fallo de fatiga

La fatiga es una situación en la que el componente está sujeto a carga cíclica. La tensión de diseño que es la fuerza de resistencia utilizada en la carga de fatiga es mucho menor que la fuerza de fluencia y la resistencia final 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 el cable, lo doblamos varias veces, se rompe fácilmente.
La fluencia es una situación en la que un componente experimenta 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 enseñan (apretados) cuando se instalan, pero después de algún tiempo experimentan flacidez debido al peso propio.