Fluencia en materiales: Causas, efectos y estrategias de mitigación

La fluencia, a veces conocida como flujo en frío, es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o sufrir deformación irreversible cuando se somete a cargas mecánicas continuas. Al examinar componentes que operan bajo altas cargas o altas temperaturas, los ingenieros y metalúrgicos típicamente tienen preocupaciones sobre la fluencia. Un mecanismo de deformación llamado fluencia puede o no ser un modo de fallo. En este artículo, se responderán 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 las instancias comunes de fluencia?
• ¿Cómo medir la resistencia a la fluencia?
• ¿Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia?

¡Ahora profundicemos!

¿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 deformación irreversible cuando se somete a cargas mecánicas continuas.

Puede ocurrir como resultado de exposición prolongada a niveles de alto esfuerzo que aún están por debajo de la resistencia de fluencia 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, período de exposición, temperatura de exposición y la carga estructural aplicada afectan qué tan rápido se deforma un material.

Basado en la intensidad del esfuerzo aplicado y cuánto dura, la deformación puede aumentar hasta el punto donde un componente ya no puede servir su propósito. Por ejemplo, la fluencia de una pala de turbina puede causar que la pala entre en contacto con la carcasa y falle. Al examinar componentes que operan bajo altas cargas o altas temperaturas, los ingenieros y metalúrgicos típicamente tienen preocupaciones sobre la fluencia. Un mecanismo de deformación llamado fluencia puede o no ser un modo de fallo.

Por ejemplo, algunos ingenieros de concreto prefieren fluencia moderada porque reduce tensiones de tracción que podrían inducir agrietamiento. La deformación por fluencia no ocurre instantáneamente cuando se aplica esfuerzo, a diferencia de una fractura frágil. En su lugar, el esfuerzo persistente conduce a acumulación de deformación. La fluencia es una deformación "dependiente del tiempo" como resultado.

¿Cuáles son las etapas de la fluencia del material?

La fluencia es un tipo de deformación de metal que ocurre a cargas por debajo de la resistencia de fluencia de un metal, usualmente a altas temperaturas. Hay tres fases en la fluencia:

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

Primaria o Etapa I

Durante el proceso de deformación, la fluencia primaria ocurre primero. La deformación elástica acaba de comenzar en este punto. El estiramiento de enlaces atómicos resulta en 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 en la tasa de fluencia que ocurre cerca del final de la etapa de fluencia primaria.

Secundaria o Etapa II

Una vez que la tasa de deformación comienza a estabilizarse y volverse constante, comienza la fluencia secundaria. Comparado con la primera etapa y la tercera etapa de fluencia, la deformación durante la fluencia secundaria ocurre muy lentamente. Como no ha habido daño microestructural, la tasa de fluencia es constante y bastante lenta.

Terciaria o Etapa III

El proceso de deformación por fluencia termina con la fluencia terciaria. Una vez que la microestructura del metal se daña, comienza este paso del proceso de fluencia. A medida que la microestructura continúa deteriorándose cada vez más, la tasa de deformación aumenta. El metal eventualmente 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 alto esfuerzo inmediato o esfuerzo sostenido durante un período prolongado. Cuando un material es continuamente tensionado mecánicamente, parece moverse lentamente o deformarse permanentemente.

La Fluencia es el nombre de esta tendencia innata. Temperatura, tiempo, esfuerzo y composición de aleación son algunos de los factores que afectan el inicio y desarrollo de la fluencia en un material. La tasa de deformación por fluencia es el nombre dado al porcentaje de deslizamiento. La fluencia necesita aprenderse sobre muchas aplicaciones de ingeniería, particularmente aquellas que tratan con altas temperaturas y esfuerzos. Algunas instancias de impacto de fluencia en líneas de vapor, naves espaciales y turbinas son disco y pala.

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

¿Cuáles son los tipos de deformación por fluencia?

Fluencia por dislocación, fluencia por difusión (difusión en masa o difusión de frontera de grano), fluencia por trepado-deslizamiento de dislocación, y fluencia por deslizamiento activado térmicamente son algunos ejemplos de deformación por fluencia. Estos muchos mecanismos de fluencia dependen de la temperatura a la que el material se deforma, la cantidad de esfuerzo bajo la cual está el material, y la microestructura y composición del material.

Riel soldado continuamente calentado por luz solar directa, por ejemplo, puede abombarse en una vía de ferrocarril. Esto es provocado por la tensión creciente del acero y la fluencia resultante. Bajo fluencia moderada, el concreto puede fracturarse, pero esto es ocasionalmente ventajoso ya que ayuda a reducir tensiones de tracción en la estructura. Esfuerzo constante en polímeros resulta en un proceso de aumento de deformación dependiente del tiempo llamado fluencia viscoelástica.

¿Cuáles son las instancias comunes de fluencia?

Más a menudo que no, la fluencia puede notarse en algunas aplicaciones. Debido a sus bajas cargas estáticas y bajas temperaturas de operación, los chasis automotrices, por ejemplo, se enfocan más en resistencia al impacto. Por otro lado, si se elige el material incorrecto, ciertos componentes de motor de auto expuestos a altas cargas y temperaturas de combustión del motor pueden sufrir fluencia.

Aplicaciones con alto calor y esfuerzo extremo son frecuentemente propensas a fluencia. Ejemplos incluyen producción de energía nuclear, partes de motores industriales, filamentos metálicos calentados, partes de motores a reacción y tuberías de alta temperatura a presión.

Cómo medir la resistencia a la fluencia

Una máquina de prueba de fluencia, una herramienta que mide la distorsión de un material bajo varios esfuerzos, se usa para evaluar la resistencia a la fluencia. Con temperatura o carga como variables, puede usarse para graficar cuánto esfuerzo y deformación puede soportar un material. Las 3 etapas únicas de fluencia —fluencia primaria, fluencia en estado estable y fluencia terciaria— se muestran en el siguiente gráfico.

La temperatura e intervalo de tiempo para cada paso de fluencia pueden determinarse del gráfico. Así, la etapa de fluencia terciaria del gráfico puede usarse para determinar la resistencia o límite de fluencia. Para minimizar los efectos de expansión térmica, es esencial regular la temperatura de la cámara donde se realiza la prueba de fluencia.

Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia

Ahora es obvio que la deformación por fluencia es típicamente algo malo. Ciertas consideraciones de diseño pueden hacerse para reducir su impacto o prevenir que ocurra, algunas de las cuales incluyen:

• Utilizar materiales de cristal único con granos grandes para reducir deslizamiento de frontera de grano y añadir soluciones sólidas para eliminar vacíos microestructurales.
• Utilizar sustancias con alto punto de fusión.
• Usar metales cúbicos centrados en caras (FCC) en lugar de metales cúbicos centrados en cuerpo (BCC) para reducir difusividad debido a sus coeficientes de difusión más bajos.
• Utilizar materiales con alto módulo de corte o aleación práctica.
• Reducir la temperatura de operación del material mientras se usa (específico de aplicación).

En resumen

Está claro ahora que la deformación por fluencia es generalmente un fenómeno indeseado. Para reducir su efecto o prevenir que suceda, se deben seguir los pasos anteriores.

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

Eso es todo para este artículo, donde se responden 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 las instancias comunes de fluencia?
• Cómo medir la resistencia a la fluencia?
• Cómo minimizar o evitar la deformación por fluencia?

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