Comprender la fluencia en un material

La fluencia, a veces conocida como flujo en frío, es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o sufrir una deformación irreversible cuando se somete a cargas mecánicas continuas. Cuando se examinan componentes que funcionan bajo altas cargas o altas temperaturas, los ingenieros y los metalúrgicos suelen tener preocupaciones sobre la fluencia. Un mecanismo de deformación llamado fluencia puede o no ser un modo de falla. En este artículo, se responderán las respuestas a las siguientes preguntas:

• ¿Qué es la fluencia en un material?
• ¿Cuáles son las etapas de la fluencia del material?
• ¿Qué es la resistencia a la fluencia?
• ¿Cuáles son los tipos de deformación por fluencia?
• ¿Cuáles son los casos comunes de fluencia?
• ¿Cómo medir la resistencia a la fluencia?
• ¿Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia?

¡Ahora vamos a sumergirnos!

¿Qué es la fluencia en un material?

La fluencia, a veces conocida como flujo en frío, es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o sufrir una deformación irreversible cuando se somete a cargas mecánicas constantes.

Puede ocurrir como resultado de una exposición prolongada a altos niveles de estrés que todavía están por debajo del límite elástico del material. La exposición al calor a largo plazo hace que la fluencia sea más severa y, a menudo, empeora a medida que los materiales se acercan al punto de fusión. Las cualidades del material, el período de exposición, la temperatura de exposición y la carga estructural aplicada afectan la rapidez con la que se deforma un material.

Según la intensidad de la tensión aplicada y su duración, la deformación puede aumentar hasta el punto en que un componente ya no puede cumplir su propósito. Por ejemplo, el deslizamiento de un álabe de turbina puede hacer que el álabe entre en contacto con la carcasa y falle. Cuando se examinan componentes que funcionan bajo altas cargas o altas temperaturas, los ingenieros y los metalúrgicos suelen tener preocupaciones sobre la fluencia. Un mecanismo de deformación llamado fluencia puede o no ser un modo de falla.

Por ejemplo, a algunos ingenieros de hormigón les gusta la fluencia moderada porque reduce las tensiones de tracción que, de lo contrario, podrían inducir el agrietamiento. La deformación por fluencia no ocurre instantáneamente cuando se aplica tensión, a diferencia de una fractura frágil. En cambio, el estrés persistente conduce a la acumulación de tensión. Como resultado, la fluencia es una deformación "dependiente del tiempo".

¿Cuáles son las etapas de la fluencia del material?

La fluencia es un tipo de deformación del metal que tiene lugar con cargas por debajo del límite elástico del metal, generalmente a altas temperaturas. Hay tres fases para arrastrarse:

• Primaria o Etapa I
• Secundaria o Etapa II
• Terciario o Etapa III

Primaria o Etapa I

Durante el proceso de deformación, primero ocurre la fluencia primaria. La deformación elástica acaba de comenzar en este punto. El estiramiento del enlace atómico da como resultado una deformación elástica temporal. La deformación plástica permanente comienza a ocurrir después de la deformación elástica. Esta distorsión comienza más rápidamente durante la etapa de fluencia primaria y luego se ralentiza con el tiempo. El endurecimiento por trabajo es la causa de la disminución de la tasa de fluencia que ocurre cerca del final de la etapa de fluencia primaria.

Secundaria o Etapa II

Una vez que la velocidad de deformación comienza a estabilizarse y se vuelve constante, comienza la fluencia secundaria. Cuando se compara con la primera etapa y la tercera etapa de fluencia, la deformación durante la fluencia secundaria ocurre muy lentamente. Dado que no ha habido ningún daño microestructural, la tasa de fluencia es constante y bastante lenta.

Terciario o Etapa III

El proceso de deformación por fluencia finaliza con la fluencia terciaria. Una vez que se daña la microestructura del metal, comienza este paso del proceso de fluencia. A medida que la microestructura continúa deteriorándose más y más, la velocidad de deformación aumenta. El metal finalmente se fractura y falla una vez que se han producido suficientes vacíos microestructurales.

¿Qué es la resistencia a la fluencia?

El material responde de manera diferente cuando se somete a un alto estrés inmediato o estrés sostenido durante un período prolongado. Cuando un material se deforma mecánicamente de forma continua, parece moverse lentamente o deformarse permanentemente.

The Crawl es el nombre de esta tendencia innata. La temperatura, el tiempo, la tensión y la composición de la aleación son algunos de los factores que afectan el comienzo y el desarrollo de la fluencia en un material. La tasa de deformación por fluencia es el nombre que se le da al porcentaje de deslizamiento. Creep necesita aprender sobre muchas aplicaciones de ingeniería, particularmente aquellas que se ocupan de altas temperaturas y tensiones. Algunas instancias de impacto progresivo en líneas de vapor, naves espaciales y turbinas son discos y palas.

El límite de fluencia, también conocido como resistencia a la fluencia, mide qué tan bien un material puede resistir la fluencia. El estrés, en particular, se refiere a los factores externos que causan una tasa de fluencia constante. Implica que la mayor tensión que ha sufrido el material sin deformarse significativamente durante un período determinado es lo que causa la resistencia al agrietamiento.

¿Cuáles son los tipos de deformación por fluencia?

La fluencia por dislocación, la fluencia por difusión (difusión en masa o difusión de límite de grano), la fluencia por ascenso-deslizamiento por dislocación y la fluencia por deslizamiento activada térmicamente son algunos ejemplos de deformación por fluencia. Todos estos mecanismos de fluencia dependen de la temperatura a la que se deforma el material, la cantidad de tensión bajo la que se encuentra el material y la microestructura y composición del material.

El riel soldado continuamente calentado por la luz solar directa, por ejemplo, puede pandearse en una vía férrea. Esto es provocado por la creciente tensión del acero y la consiguiente fluencia. Bajo una fluencia moderada, el concreto puede fracturarse, pero esto es ocasionalmente ventajoso ya que ayuda a reducir las deformaciones por tracción en la estructura. La tensión constante en los polímeros da como resultado un proceso de aumento de la tensión dependiente del tiempo llamado fluencia viscoelástica.

¿Cuáles son los casos comunes de fluencia?

La mayoría de las veces, se puede notar la fluencia en algunas aplicaciones. Debido a sus bajas cargas estáticas y bajas temperaturas de funcionamiento, los bastidores de los automóviles, por ejemplo, se centran más en la resistencia al impacto. Por otro lado, si se elige el material incorrecto, ciertos componentes del motor del automóvil expuestos a altas cargas y temperaturas debido a la combustión del motor pueden sufrir deslizamientos.

Las aplicaciones con mucho calor y estrés extremo son frecuentemente propensas a la fluencia. Los ejemplos incluyen la producción de energía nuclear, las partes de los motores industriales, los filamentos metálicos calentados, las partes de los motores a reacción y las tuberías presurizadas de alta temperatura.

¿Cómo medir la resistencia a la fluencia?

Una máquina de prueba de fluencia, una herramienta que mide la distorsión de un material bajo diversas tensiones, se utiliza para evaluar la resistencia a la fluencia. Con la temperatura o la carga como variables, se puede usar para trazar cuánto estrés y deformación puede soportar un material. Las 3 etapas únicas de la fluencia (fluencia primaria, fluencia en estado estacionario y fluencia terciaria) se muestran en el siguiente gráfico.

La temperatura y el intervalo de tiempo para cada paso de la fluencia se pueden determinar a partir del gráfico. Por lo tanto, la etapa de fluencia terciaria del gráfico se puede utilizar para determinar la resistencia a la fluencia o el límite de fluencia. Para minimizar los efectos de la dilatación térmica, es fundamental regular la temperatura de la cámara donde se realiza el ensayo de fluencia.

¿Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia?

Ahora es obvio que la deformación por fluencia suele ser algo malo. Se pueden hacer ciertas consideraciones de diseño para disminuir su impacto o evitar que ocurra, algunas de las cuales incluyen:

• Utilice materiales monocristalinos con granos grandes para reducir el deslizamiento de los límites de grano y agregue soluciones sólidas para eliminar los vacíos microestructurales.
• Utilice sustancias con un alto punto de fusión.
• Utilice metales cúbicos en el centro de la cara (FCC) en lugar de metales cúbicos en el centro del cuerpo (BCC) para reducir la difusividad debido a sus coeficientes de difusión más bajos.
• Utilice materiales con un alto módulo de corte o aleación práctica.
• Reduzca la temperatura de funcionamiento del material mientras lo usa (según la aplicación).

En resumen

Está claro ahora que la deformación por fluencia es generalmente un fenómeno no deseado. Para reducir su efecto o evitar que suceda, se debe seguir el paso anterior.

En la ciencia de los materiales, la fluencia es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o deformarse permanentemente bajo la influencia de tensiones mecánicas persistentes.

Eso es todo por este artículo, donde se responde a las siguientes preguntas:

• ¿Qué es la fluencia en un material?
• ¿Cuáles son las etapas de la fluencia del material?
• ¿Qué es la resistencia a la fluencia?
• ¿Cuáles son los tipos de deformación por fluencia?
• ¿Cuáles son los casos comunes de fluencia?
• ¿Cómo medir la resistencia a la fluencia?
• ¿Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia?

Espero que aprendas mucho de la lectura, si es así, comparte amablemente con otros gracias por leer, ¡y nos vemos!