En la ciencia de los materiales , la fluencia (a veces llamada flujo frío ) es la tendencia de un material sólido a moverse lentamente o deformarse permanentemente bajo la influencia de tensiones mecánicas persistentes . Puede ocurrir como resultado de una exposición prolongada a altos niveles de estrés que aún están por debajo del límite elástico del material. La fluencia es más severa en materiales que están sujetos a calor durante períodos prolongados y generalmente aumenta a medida que se acercan a su punto de fusión.
La tasa de deformación es función de las propiedades del material, el tiempo de exposición, la temperatura de exposición y la carga estructural aplicada . Dependiendo de la magnitud de la tensión aplicada y su duración, la deformación puede llegar a ser tan grande que un componente ya no puede realizar su función; por ejemplo, el deslizamiento de una pala de turbina podría hacer que la pala entre en contacto con la carcasa, resultando en la falla del espada. La fluencia suele ser motivo de preocupación para los ingenieros y metalúrgicos cuando evalúan componentes que operan bajo tensiones o temperaturas elevadas. La fluencia es un mecanismo de deformación que puede constituir o no un modo de falla . Por ejemplo, la fluencia moderada en el hormigón a veces es bienvenida porque alivia las tensiones de tracción que de otro modo podrían provocar grietas.
A diferencia de la fractura frágil , la deformación por fluencia no ocurre repentinamente con la aplicación de tensión. En cambio, la tensión se acumula como resultado del estrés a largo plazo. Por lo tanto, la fluencia es una deformación "dependiente del tiempo". Funciona según el principio de la ley de Hooke (la tensión es directamente proporcional a la deformación).
Dependencia de la temperatura
El rango de temperatura en el que puede producirse la deformación por fluencia difiere en varios materiales. La deformación por fluencia generalmente ocurre cuando un material se somete a tensión a una temperatura cercana a su punto de fusión. Si bien el tungsteno requiere una temperatura de miles de grados antes de que se produzca la deformación por fluencia, el plomo puede deslizarse a temperatura ambiente y el hielo se deslizará a temperaturas inferiores a 0 ° C (32 ° F). [1] Los plásticos y los metales de baja temperatura de fusión, incluidas muchas soldaduras, pueden comenzar a deformarse a temperatura ambiente. El flujo glaciar es un ejemplo de procesos de fluencia en el hielo. [2] Los efectos de la deformación por fluencia generalmente se notan a aproximadamente el 35% del punto de fusión para los metales y al 45% del punto de fusión para las cerámicas. [3]
Etapas
El comportamiento de fluencia se puede dividir en tres etapas principales. En la fluencia primaria o transitoria, la tasa de deformación es una función del tiempo. En los materiales de Clase M, que incluyen la mayoría de los materiales puros, la velocidad de deformación disminuye con el tiempo. Esto puede deberse al aumento de la densidad de dislocación o puede deberse a la evolución del tamaño de grano . En los materiales de clase A, que tienen grandes cantidades de endurecimiento en solución sólida, la velocidad de deformación aumenta con el tiempo debido al adelgazamiento de los átomos de arrastre de solutos a medida que se mueven las dislocaciones. [4]
En la fluencia secundaria, o en estado estable, la estructura de dislocación y el tamaño de grano han alcanzado el equilibrio y, por lo tanto, la velocidad de deformación es constante. Las ecuaciones que producen una tasa de deformación se refieren a la tasa de deformación en estado estacionario. La dependencia del estrés de esta tasa depende del mecanismo de fluencia.
En la fluencia terciaria, la tasa de deformación aumenta exponencialmente con la tensión. Esto puede deberse a fenómenos de estrechamiento , grietas internas o huecos, que disminuyen el área de la sección transversal y aumentan la tensión real en la región, acelerando aún más la deformación y conduciendo a la fractura. [5]
Mecanismos de deformación
Dependiendo de la temperatura y la tensión, se activan diferentes mecanismos de deformación. Aunque en general hay muchos mecanismos de deformación activos en todo momento, por lo general un mecanismo es el dominante, que explica casi todas las deformaciones.
Varios mecanismos son:
- Difusión a granel ( Nabarro-Herring creep )
- Difusión del límite de grano ( coble creep )
- Glide controlado dislocación de fluencia : dislocaciones se mueven a través de planeo y subida, y la velocidad de deslizamiento es el factor dominante en la velocidad de deformación
- Fluencia de dislocación controlada por ascenso: las dislocaciones se mueven a través del planeo y el ascenso, y la velocidad de ascenso es el factor dominante en la tasa de deformación.
- Fluencia de Harper-Dorn: un mecanismo de fluencia de bajo estrés en algunos materiales puros
A bajas temperaturas y bajo estrés, la fluencia es esencialmente inexistente y toda deformación es elástica. A bajas temperaturas y alta tensión, los materiales experimentan deformación plástica en lugar de fluencia. A altas temperaturas y bajo estrés, la fluencia por difusión tiende a ser dominante, mientras que a altas temperaturas y alta tensión, la fluencia por dislocación tiende a ser dominante.
Mapas de mecanismos de deformación
Los mapas del mecanismo de deformación proporcionan una herramienta visual que categoriza el mecanismo de deformación dominante en función de la temperatura homóloga , la tensión normalizada por el módulo de corte y la tasa de deformación. Generalmente, dos de estas tres propiedades (más comúnmente temperatura y estrés) son los ejes del mapa, mientras que la tercera se dibuja como contornos en el mapa.
Para poblar el mapa, se encuentran ecuaciones constitutivas para cada mecanismo de deformación. Estos se utilizan para resolver los límites entre cada mecanismo de deformación, así como los contornos de la tasa de deformación. Los mapas de mecanismos de deformación se pueden utilizar para comparar diferentes mecanismos de fortalecimiento, así como para comparar diferentes tipos de materiales. [6]
Ecuación general
dónde es la deformación por fluencia, C es una constante dependiente de la del mecanismo de fluencia particular, materiales y, m y b son exponentes dependientes en el mecanismo de fluencia, Q es la energía de activación del mecanismo de fluencia, σ es la tensión aplicada, d es el grano tamaño del material, k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. [7]
Fluencia de dislocación
En tensiones elevadas (en relación con el módulo de corte ), la fluencia se controla mediante el movimiento de las dislocaciones . Para la fluencia por dislocación, Q = Q (autodifusión), m = 4-6 yb es menor que 1. Por lo tanto, la fluencia por dislocación tiene una fuerte dependencia del esfuerzo aplicado y la energía de activación intrínseca y una dependencia más débil del tamaño de grano. A medida que el tamaño del grano se hace más pequeño, el área del límite del grano se agranda, por lo que se impide el movimiento de dislocación.
Algunas aleaciones exhiben un exponente de tensión muy grande ( m > 10), y esto se explica típicamente mediante la introducción de una "tensión umbral", σ th , por debajo del cual no se puede medir la fluencia. La ecuación de la ley de potencia modificada se convierte entonces en:
donde A , Q y m pueden explicarse mediante mecanismos convencionales (por lo que 3 ≤ m ≤ 10), R es la constante de gas . La fluencia aumenta con el aumento de la tensión aplicada, ya que la tensión aplicada tiende a impulsar la dislocación más allá de la barrera y hacer que la dislocación entre en un estado de menor energía después de sortear el obstáculo, lo que significa que la dislocación está inclinada a superar el obstáculo. En otras palabras, parte del trabajo necesario para superar la barrera energética de pasar un obstáculo lo proporciona la tensión aplicada y el resto la energía térmica.
Nabarro – Herring creep
La fluencia de Nabarro-Herring (NH) es una forma de fluencia por difusión , mientras que la fluencia por deslizamiento por dislocación no implica la difusión atómica. La fluencia de Nabarro-arenque domina a altas temperaturas y bajas tensiones. Como se muestra en la figura de la derecha, los lados laterales del cristal están sujetos a tensión de tracción y los lados horizontales a tensión de compresión. El volumen atómico se altera por la tensión aplicada: aumenta en las regiones bajo tensión y disminuye en las regiones bajo compresión. Entonces, la energía de activación para la formación de vacantes se cambia en ±, dónde es el volumen atómico, el ""el signo es para regiones compresivas y"El signo "es para regiones de tracción. Dado que la concentración de vacante fraccional es proporcional a , dónde es la energía de formación de vacantes, la concentración de vacantes es mayor en las regiones de tracción que en las regiones de compresión, lo que lleva a un flujo neto de vacantes desde las regiones en tensión a las regiones en compresión, y esto es equivalente a una difusión neta de átomos en el lado opuesto. dirección, que provoca la deformación por fluencia: el grano se alarga en el eje de tensión de tracción y se contrae en el eje de tensión de compresión.
En la fluencia de Nabarro-Herring, k está relacionado con el coeficiente de difusión de los átomos a través de la red, Q = Q (autodifusión), m = 1 yb = 2. Por lo tanto, la fluencia de Nabarro-Herring tiene una dependencia del esfuerzo débil y una moderada Dependencia del tamaño de grano, con la tasa de fluencia disminuyendo a medida que aumenta el tamaño de grano.
La fluencia de Nabarro-Arenque depende en gran medida de la temperatura. Para que se produzca la difusión reticular de átomos en un material, los sitios reticulares vecinos o los sitios intersticiales en la estructura cristalina deben estar libres. Un átomo dado también debe superar la barrera de energía para moverse desde su sitio actual (se encuentra en un pozo de potencial energéticamente favorable ) al sitio vacío cercano (otro pozo de potencial). La forma general de la ecuación de difusión esdonde D 0 depende tanto de la frecuencia del intento de salto como del número de sitios vecinos más cercanos y de la probabilidad de que los sitios estén vacíos. Por tanto, existe una doble dependencia de la temperatura. A temperaturas más altas, la difusividad aumenta debido a la dependencia directa de la temperatura de la ecuación, el aumento de las vacantes a través de la formación de defectos de Schottky y un aumento en la energía promedio de los átomos en el material. La fluencia de Nabarro-Arenque domina a temperaturas muy altas en relación con la temperatura de fusión de un material.
Coble arrastrarse
La fluencia de Coble es la segunda forma de fluencia controlada por difusión. En Coble creep, los átomos se difunden a lo largo de los límites de los granos para alargar los granos a lo largo del eje de tensión. Esto hace que la fluencia de Coble tenga una dependencia del tamaño de grano más fuerte que la fluencia de Nabarro-Herring, por lo que la fluencia de Coble será más importante en materiales compuestos de granos muy finos. Para Coble, la fluencia k está relacionada con el coeficiente de difusión de los átomos a lo largo del límite del grano, Q = Q (difusión del límite del grano), m = 1 yb = 3. Como Q (difusión del límite del grano) < Q (autodifusión), Coble la fluencia ocurre a temperaturas más bajas que la fluencia de Nabarro-Herring. La fluencia del coble todavía depende de la temperatura, a medida que la temperatura aumenta, también lo hace la difusión del límite del grano. Sin embargo, dado que el número de vecinos más cercanos está efectivamente limitado a lo largo de la interfaz de los granos, y la generación térmica de vacantes a lo largo de los límites es menos frecuente, la dependencia de la temperatura no es tan fuerte como en la fluencia de Nabarro-Herring. También exhibe la misma dependencia lineal de la tensión que la fluencia de Nabarro-Herring. Generalmente, la tasa de fluencia por difusión debe ser la suma de la tasa de fluencia de Nabarro-Herring y la tasa de fluencia de Coble. La fluencia por difusión conduce a la separación de los límites de los granos, es decir, se forman huecos o grietas entre los granos. Para curar esto, se produce un deslizamiento de los límites de los granos. La tasa de fluencia por difusión y la tasa de deslizamiento del límite de grano deben equilibrarse si no quedan huecos o grietas. Cuando el deslizamiento del límite de grano no puede adaptarse a la incompatibilidad, se generan vacíos en el límite de grano, lo que está relacionado con el inicio de la fractura por fluencia.
Fluencia de arrastre de solutos
La fluencia por arrastre de solutos es uno de los mecanismos para la fluencia por ley de potencia (PLC), que involucra tanto la dislocación como el flujo de difusión. La fluencia por arrastre de solutos se observa en ciertas aleaciones metálicas . En estas aleaciones, la tasa de fluencia aumenta durante la primera etapa de fluencia (fluencia transitoria) antes de alcanzar un valor de estado estable. Este fenómeno puede explicarse por un modelo asociado con el fortalecimiento de soluciones sólidas. A bajas temperaturas, los átomos de soluto están inmóviles y aumentan la tensión de flujo necesaria para mover las dislocaciones. Sin embargo, a temperaturas más altas, los átomos de soluto son más móviles y pueden formar atmósferas / nubes que rodean las dislocaciones. Esto es especialmente probable si el átomo de soluto tiene un gran desajuste en la matriz. Los solutos son atraídos por los campos de tensión de dislocación y pueden aliviar los campos de tensión elásticos de las dislocaciones existentes. Por tanto, los solutos se unen a las dislocaciones. La concentración de soluto, C, a una distancia, r, de una dislocación viene dada por la atmósfera de Cottrell definida como:
dónde es la concentración en y es una constante que define el grado de segregación del soluto. Cuando están rodeadas por una atmósfera de soluto, las dislocaciones que intentan deslizarse bajo una tensión aplicada están sujetas a una tensión de retroceso ejercida sobre ellas por la nube de átomos de soluto. Si la tensión aplicada es suficientemente alta, la dislocación puede eventualmente desprenderse de la atmósfera, permitiendo que la dislocación continúe deslizándose bajo la acción de la tensión aplicada. La fuerza máxima (por unidad de longitud) que la atmósfera de los átomos de soluto puede ejercer sobre la dislocación viene dada por Cottrell y Jaswon [9]
Cuando la difusión de átomos de soluto se activa a temperaturas más altas, los átomos de soluto que están "unidos" a las dislocaciones por el desajuste pueden moverse junto con las dislocaciones de los bordes como un "arrastre" en su movimiento si el movimiento de dislocación o la velocidad de fluencia no es demasiado alto. La cantidad de "arrastre" ejercido por los átomos del soluto en la dislocación está relacionada con la difusividad de los átomos del soluto en el metal a esa temperatura, con una mayor difusividad que conduce a un arrastre más bajo y viceversa. La velocidad a la que se deslizan las dislocaciones puede aproximarse mediante una ley de potencia de la forma;
Donde m es el exponente de esfuerzo efectivo, Q es la energía de activación aparente para el deslizamiento y es una constante. El parámetro B en la ecuación anterior fue derivado por Cottrell y Jaswon para la interacción entre átomos de soluto y dislocaciones sobre la base del desajuste relativo del tamaño atómico. de solutos a ser
dónde es la constante de Boltzmann, r1 y r2 son los radios de corte interno y externo del campo de tensión de dislocación. y D sol son la concentración atómica del soluto y la difusividad del soluto, respectivamente. D sol también tiene una dependencia de la temperatura que hace una contribución determinante a
Si la nube de solutos no se forma o las dislocaciones son capaces de desprenderse de sus nubes, el deslizamiento se produce de manera desigual donde los obstáculos fijos, formados por dislocaciones en combinación con solutos, se superan después de un cierto tiempo de espera con apoyo por activación térmica. . El exponente m es mayor que 1 en este caso. Las ecuaciones muestran que el efecto de endurecimiento de los solutos es fuerte si el factor B en la ecuación de la ley de potencias es bajo, de modo que las dislocaciones se mueven lentamente y la difusividad D sol es baja. Además, los átomos de soluto con alta concentración en la matriz y una fuerte interacción con las dislocaciones son fuertes jardineros. Dado que la tensión inadaptada de los átomos de soluto es una de las formas en que interactúan con las dislocaciones, se deduce que los átomos de soluto con gran inadaptación atómica son jardineros fuertes. Un sol D de baja difusividad es una condición adicional para un endurecimiento fuerte. [11] [12]
La fluencia de arrastre de solutos a veces muestra un fenómeno especial, sobre una velocidad de deformación limitada, que se denomina efecto Portevin-Le Chatelier . Cuando la tensión aplicada se vuelve lo suficientemente grande, las dislocaciones se desprenderán de los átomos de soluto ya que la velocidad de dislocación aumenta con la tensión. Después de la ruptura, la tensión disminuye y la velocidad de dislocación también disminuye, lo que permite que los átomos de soluto se acerquen y alcancen las dislocaciones previamente abandonadas nuevamente, lo que lleva a un aumento de la tensión. El proceso se repite cuando se obtiene el siguiente máximo de tensión local. Por lo tanto, se podrían detectar máximos y mínimos de estrés local repetitivo durante el arrastre de soluto.
Dislocación ascenso-deslizamiento fluencia
Se observa deslizamiento ascenso-deslizamiento fluencia en materiales a alta temperatura. La tasa de fluencia inicial es mayor que la tasa de fluencia en estado estable. El deslizamiento de ascenso-deslizamiento podría ilustrarse de la siguiente manera: cuando la tensión aplicada no es suficiente para que una dislocación en movimiento supere el obstáculo en su camino a través del deslizamiento de dislocación solo, la dislocación podría subir a un plano de deslizamiento paralelo mediante procesos de difusión, y la dislocación deslizarse en el nuevo avión. Este proceso se repite cada vez que la dislocación encuentra un obstáculo. La tasa de fluencia podría escribirse como:
donde A CG incluye detalles de la geometría del bucle de dislocación, D L es la difusividad de la red, M es el número de fuentes de dislocación por unidad de volumen, es la tensión aplicada, y es el volumen atómico. El exponente m para la dislocación ascenso-deslizamiento fluencia es 4.5 si M es independiente de la tensión y este valor de m es consistente con los resultados de considerables estudios experimentales.
Arpista-Dorn creep
La fluencia de Harper-Dorn es un mecanismo de dislocación controlado por ascenso a tensiones bajas que se ha observado en sistemas de aluminio, plomo y estaño, además de sistemas no metálicos como la cerámica y el hielo. Se caracteriza por dos fenómenos principales: una relación de ley de potencia entre la tasa de deformación en estado estacionario y la tensión aplicada a una temperatura constante que es más débil que la ley de potencia natural de la fluencia, y una relación independiente entre la tasa de deformación en estado estacionario y tamaño de grano para una temperatura proporcionada y una tensión aplicada. La última observación implica que la fluencia de Harper-Dorn está controlada por el movimiento de dislocación; es decir, dado que la fluencia puede ocurrir por difusión de vacantes (fluencia de Nabarro-Herring, fluencia de Coble), deslizamiento del límite de grano y / o movimiento de dislocación, y dado que los dos primeros mecanismos dependen del tamaño de grano, la fluencia de Harper-Dorn debe ser, por lo tanto, dislocación. dependiente del movimiento. [13] Lo mismo también fue confirmado en 1972 por Barrett y colaboradores [14] donde los precipitados de FeAl 3 redujeron las tasas de fluencia en 2 órdenes de magnitud en comparación con el Al altamente puro, lo que indica que la fluencia de Harper-Dorn se basa en dislocaciones. mecanismo.
Sin embargo, la fluencia de Harper-Dorn generalmente se ve abrumada por otros mecanismos de fluencia en la mayoría de las situaciones y, por lo tanto, no se observa en la mayoría de los sistemas. La ecuación fenomenológica que describe la fluencia de Harper-Dorn es:
dónde: es la densidad de dislocación (constante para la fluencia de Harper-Dorn), es la difusividad a través del volumen del material, es el módulo de corte y es el vector de la hamburguesa, , y n es el exponente de fluencia que varía entre 1 y 3. [15]
La energía de activación volumétrica indica que la velocidad de la fluencia de Harper-Dorn está controlada por la difusión de la vacante hacia y desde las dislocaciones, lo que da como resultado un movimiento de dislocación controlado por ascenso. [16] [17] A diferencia de otros mecanismos de fluencia, la densidad de dislocación aquí es constante e independiente de la tensión aplicada. [13] Además, la densidad de dislocación debe ser baja para que domine la fluencia de Harper-Dorn. Se ha propuesto que la densidad aumente a medida que las dislocaciones se mueven a través del deslizamiento cruzado de un plano de deslizamiento a otro, aumentando así la longitud de la dislocación por unidad de volumen. El deslizamiento cruzado también puede provocar sacudidas a lo largo de la dislocación, que, si son lo suficientemente grandes, pueden actuar como fuentes de dislocación de un solo extremo. [18] Según un estudio reciente, [15] la densidad de dislocación extremadamente baja en un material monocristalino dará como resultado la ley de potencia natural (n ~ 3). Por otro lado, la n puede variar entre 1 y 3 en función de las densidades de dislocación inicial de los cristales, que es ligeramente superior. [19]
Sinterización
A altas temperaturas, es energéticamente favorable que los huecos se contraigan en un material. La aplicación de tensión de tracción se opone a la reducción de energía ganada por la contracción del vacío. Por lo tanto, se requiere una cierta magnitud de tensión de tracción aplicada para compensar estos efectos de contracción y causar crecimiento de huecos y fractura por fluencia en materiales a alta temperatura. Esta tensión se produce en el límite de sinterización del sistema. [20]
La tensión que tiende a encoger los huecos que deben superarse está relacionada con la energía superficial y la relación superficie-volumen de los huecos. Para un vacío general con energía superficial γ y radios de curvatura principales de r 1 y r 2 , el esfuerzo límite de sinterización es: [21]
Por debajo de este estrés crítico, los vacíos tenderán a encogerse en lugar de crecer. También se producirán efectos adicionales de contracción por vacío como resultado de la aplicación de un esfuerzo de compresión. Para descripciones típicas de fluencia, se supone que la tensión de tracción aplicada excede el límite de sinterización.
La fluencia también explica una de las diversas contribuciones a la densificación durante la sinterización del polvo metálico mediante prensado en caliente. Un aspecto principal de la densificación es el cambio de forma de las partículas de polvo. Dado que este cambio implica la deformación permanente de sólidos cristalinos, puede considerarse un proceso de deformación plástica y, por lo tanto, la sinterización puede describirse como un proceso de fluencia a alta temperatura. [22] La tensión de compresión aplicada durante el prensado acelera las tasas de contracción del vacío y permite una relación entre la ley de potencia de fluencia en estado estacionario y la tasa de densificación del material. Se observa que este fenómeno es uno de los principales mecanismos de densificación en las etapas finales de la sinterización, durante el cual la tasa de densificación (asumiendo poros libres de gas) puede explicarse por: [23] [24]
En el cual es la tasa de densificación, es la densidad, es la presión aplicada, describe el exponente del comportamiento de la tasa de deformación, y A es una constante dependiente del mecanismo. A y n provienen de la siguiente forma de la ecuación de fluencia general en estado estable:
Dónde es la tasa de deformación, y es la tensión de tracción. A los efectos de este mecanismo, la constante proviene de la siguiente expresión, donde es una constante experimental adimensional, μ es el módulo de corte, es el vector de las hamburguesas, es la constante de Boltzmann, es la temperatura absoluta, es el coeficiente de difusión, y es la energía de activación de difusión: [23]
Ejemplos de
Tejidos biológicos
La fascia es una capa delgada de tejido conectivo que rodea y mantiene en su lugar todos los órganos, vasos sanguíneos, huesos, fibras nerviosas y músculos y transmite todas las fuerzas que experimenta el cuerpo. El tejido hace más que proporcionar estructura interna; La fascia tiene nervios que la hacen casi tan sensible como la piel. Cuando está estresado, se aprieta.
La fascia está formada por múltiples capas con un líquido entre ellas llamado hialuronano . Tiene la capacidad de estirarse mientras te mueves. Pero hay ciertas cosas que hacen que la fascia se vuelva más gruesa y pegajosa. Cuando se seca y se tensa alrededor de los músculos, puede limitar la movilidad y hacer que se desarrollen nudos dolorosos. La fascia es tan fuerte como el acero y resiste el estiramiento y la deformación. La fascia responde bien al deslizamiento, cuando se le aplica una fuerza fuerte durante un período prolongado de tiempo, cederá a esa fuerza. Algunos dispositivos terapéuticos actúan sobre el principio de fluencia para alargar la fascia dolorosa y tensa y restaurar la función completa.
Polímeros
La fluencia puede ocurrir en polímeros y metales que se consideran materiales viscoelásticos . Cuando un material polimérico se somete a una fuerza abrupta, la respuesta se puede modelar utilizando el modelo de Kelvin-Voigt . En este modelo, el material está representado por un resorte Hookean y un dashpot newtoniano en paralelo. La deformación por fluencia viene dada por la siguiente integral de convolución :
dónde:
- σ = tensión aplicada
- C 0 = cumplimiento de fluencia instantánea
- C = coeficiente de cumplimiento de fluencia
- = tiempo de retardo
- = distribución de tiempos de retardo
Cuando se someten a una tensión constante escalonada, los materiales viscoelásticos experimentan un aumento de deformación dependiente del tiempo. Este fenómeno se conoce como fluencia viscoelástica.
En un tiempo t 0 , un material viscoelástico se carga con una tensión constante que se mantiene durante un período de tiempo suficientemente largo. El material responde a la tensión con una tensión que aumenta hasta que el material finalmente falla. Cuando la tensión se mantiene durante un período de tiempo más corto, el material sufre una deformación inicial hasta un tiempo t 1 en el que se libera la tensión, momento en el que la deformación disminuye inmediatamente (discontinuidad) y luego continúa disminuyendo gradualmente hasta una deformación residual.
Los datos de fluencia viscoelástica se pueden presentar de dos formas. La deformación total se puede representar en función del tiempo para una temperatura o temperaturas determinadas. Por debajo de un valor crítico de tensión aplicada, un material puede exhibir viscoelasticidad lineal. Por encima de esta tensión crítica, la tasa de fluencia crece desproporcionadamente más rápido. La segunda forma de presentar gráficamente la fluencia viscoelástica en un material es trazando el módulo de fluencia (tensión aplicada constante dividida por la tensión total en un momento particular) en función del tiempo. [25] Por debajo de su tensión crítica, el módulo de fluencia viscoelástica es independiente de la tensión aplicada. Una familia de curvas que describen la respuesta de deformación en función del tiempo a varias tensiones aplicadas se puede representar mediante una única curva de módulo de fluencia viscoelástica en función de tiempo si las tensiones aplicadas están por debajo del valor de tensión crítica del material.
Además, se sabe que el peso molecular del polímero de interés afecta su comportamiento de fluencia. El efecto de aumentar el peso molecular tiende a promover la unión secundaria entre las cadenas de polímero y, por tanto, hace que el polímero sea más resistente a la fluencia. De manera similar, los polímeros aromáticos son aún más resistentes a la fluencia debido a la rigidez adicional de los anillos. Tanto el peso molecular como los anillos aromáticos se suman a la estabilidad térmica de los polímeros, aumentando la resistencia a la fluencia de un polímero. [26]
Tanto los polímeros como los metales pueden deslizarse. Los polímeros experimentan una fluencia significativa a temperaturas superiores a aprox. –200 ° C; sin embargo, existen tres diferencias principales entre la fluencia polimérica y metálica. [27]
Los polímeros muestran fluencia básicamente de dos formas diferentes. Con cargas de trabajo típicas (5 hasta 50%), el polietileno de peso molecular ultra alto (Spectra, Dyneema ) mostrará una fluencia lineal en el tiempo, mientras que el poliéster o las aramidas ( Twaron , Kevlar ) mostrarán una fluencia logarítmica en el tiempo.
Madera
La madera se considera un material ortotrópico que presenta diferentes propiedades mecánicas en tres direcciones mutuamente perpendiculares. Los experimentos muestran que la dirección tangencial en la madera maciza tiende a mostrar una elasticidad de fluencia ligeramente mayor que en la dirección radial. [28] [29] En la dirección longitudinal, el cumplimiento de la fluencia es relativamente bajo y por lo general no muestra ninguna dependencia del tiempo en comparación con las otras direcciones.
También se ha demostrado que existe una diferencia sustancial en las propiedades viscoelásticas de la madera según la modalidad de carga (fluencia en compresión o tensión). Los estudios han demostrado que ciertas relaciones de Poisson pasan gradualmente de valores positivos a negativos durante la duración de la prueba de fluencia por compresión, que no ocurre en tensión. [28]
Hormigón
La fluencia del hormigón, que se origina a partir de los hidratos de silicato de calcio (CSH) en la pasta de cemento Portland endurecida (que es el aglutinante de los agregados minerales), es fundamentalmente diferente de la fluencia de metales y polímeros. A diferencia de la fluencia de los metales, ocurre en todos los niveles de tensión y, dentro del rango de tensión de servicio, es linealmente dependiente de la tensión si el contenido de agua de los poros es constante. A diferencia de la fluencia de polímeros y metales, exhibe un envejecimiento de varios meses, causado por el endurecimiento químico debido a la hidratación que endurece la microestructura, y el envejecimiento de varios años, causado por la relajación a largo plazo de micro-tensiones autoequilibradas en el nano- microestructura porosa de la CSH. Si el hormigón está completamente seco, no se desliza, aunque es difícil secar el hormigón por completo sin que se produzcan grietas graves.
Aplicaciones
Aunque principalmente debido a la reducción del límite elástico a temperaturas más altas, el colapso del World Trade Center se debió en parte al deslizamiento debido al aumento de temperatura. [30]
La tasa de fluencia de los componentes calientes cargados a presión en un reactor nuclear en potencia puede ser una restricción de diseño significativa, ya que la tasa de fluencia se ve reforzada por el flujo de partículas energéticas.
El deslizamiento en el adhesivo de anclaje epoxi se atribuyó al colapso del techo del túnel Big Dig en Boston, Massachusetts, que ocurrió en julio de 2006. [31]
El diseño de los filamentos de bombillas de tungsteno intenta reducir la deformación por fluencia. El hundimiento de la bobina de filamento entre sus soportes aumenta con el tiempo debido al peso del propio filamento. Si se produce demasiada deformación, las espiras adyacentes de la bobina se tocan entre sí, provocando un cortocircuito eléctrico y un sobrecalentamiento local, que rápidamente conduce al fallo del filamento. Por lo tanto, la geometría y los soportes de la bobina están diseñados para limitar las tensiones causadas por el peso del filamento, y se utiliza una aleación especial de tungsteno con pequeñas cantidades de oxígeno atrapadas en los límites de los granos de cristalito para reducir la velocidad de fluencia de Coble .
El deslizamiento puede causar un corte gradual del aislamiento del cable, especialmente cuando la tensión se concentra presionando el cable aislado contra un borde o una esquina afilados. Aislamientos resistentes a la fluencia especiales como Kynar ( fluoruro de polivinilideno ) se utilizan en wirewrap aplicaciones para resistir de corte a través de debido a las esquinas afiladas de los terminales de envoltura de alambre. El aislamiento de teflón es resistente a temperaturas elevadas y tiene otras propiedades deseables, pero es notoriamente vulnerable a fallas de corte de flujo frío causadas por fluencia.
En las centrales eléctricas de turbinas de vapor, las tuberías transportan vapor a altas temperaturas (566 ° C (1.051 ° F)) y presiones (superiores a 24,1 MPa o 3500 psi). En los motores a reacción, las temperaturas pueden alcanzar hasta 1.400 ° C (2.550 ° F) e iniciar la deformación por fluencia incluso en álabes de turbina revestidos de diseño avanzado. Por lo tanto, es crucial para una funcionalidad correcta comprender el comportamiento de deformación por fluencia de los materiales.
La deformación por fluencia es importante no solo en sistemas en los que se soportan altas temperaturas, como centrales nucleares, motores a reacción e intercambiadores de calor, sino también en el diseño de muchos objetos cotidianos. Por ejemplo, los sujetapapeles de metal son más fuertes que los de plástico porque los plásticos se deslizan a temperatura ambiente. Las ventanas de vidrio envejecidas a menudo se usan erróneamente como un ejemplo de este fenómeno: la fluencia medible solo ocurriría a temperaturas superiores a la temperatura de transición del vidrio alrededor de 500 ° C (932 ° F). Si bien el vidrio exhibe fluencia bajo las condiciones adecuadas, la flacidez aparente en las ventanas viejas puede ser una consecuencia de procesos de fabricación obsoletos, como el utilizado para crear el vidrio de corona , que resultó en un grosor inconsistente. [32] [33]
La geometría fractal, que utiliza una estructura de Cantor determinista, se utiliza para modelar la topografía de la superficie, donde se introducen los avances recientes en el contacto de fluencia termoviscoelástica de superficies rugosas. Se utilizan varias idealizaciones viscoelásticas para modelar los materiales de la superficie, incluidos los modelos Maxwell, Kelvin-Voigt, sólido lineal estándar y Jeffrey. [34]
Nimonic 75 ha sido certificado por la Unión Europea como material de referencia de fluencia estándar. [35]
La práctica de estañar cables trenzados para facilitar el proceso de conectar el cable a un terminal de tornillo , aunque ha sido frecuente y considerada una práctica estándar durante bastante tiempo, ha sido desalentada por los electricistas profesionales, [36] debido al hecho de que la soldadura es Es probable que se deslice bajo la presión ejercida sobre el extremo del cable estañado por el tornillo del terminal, lo que hace que la unión pierda tensión y, por lo tanto, cree un contacto suelto con el tiempo. La práctica aceptada al conectar un cable trenzado a un terminal de tornillo es utilizar una férula de cable en el extremo del cable.
Prevención
Generalmente, los materiales tienen una mejor resistencia a la fluencia si tienen temperaturas de fusión más altas, menor difusividad y mayor resistencia al cizallamiento. Las estructuras compactas suelen ser más resistentes a la fluencia, ya que tienden a tener menor difusividad que las estructuras no compactas. Los métodos comunes para reducir la fluencia incluyen:
- Fortalecimiento de la solución sólida : la adición de otros elementos en la solución sólida puede ralentizar la difusión, así como el movimiento de dislocación lenta a través del mecanismo de arrastre de soluto.
- Fortalecimiento de la dispersión de partículas: la adición de partículas, a menudo partículas incoherentes de óxido o carburo, bloquea el movimiento de dislocación.
- Endurecimiento por precipitación: precipitar una segunda fase fuera de la red primaria bloquea el movimiento de dislocación.
- Tamaño de grano: aumentar el tamaño de grano disminuye la cantidad de límites de grano, lo que da como resultado una fluencia más lenta debido a la alta tasa de difusión a lo largo de los límites de grano. Esto es lo opuesto a las aplicaciones de baja temperatura, donde el aumento del tamaño del grano disminuye la resistencia al bloquear el movimiento de dislocación. En aplicaciones de muy alta temperatura, como turbinas de motores a reacción, se utilizan a menudo monocristales.
Superaleaciones
Los materiales que operan en sistemas de alto rendimiento, como los motores a reacción, a menudo alcanzan temperaturas extremas que superan los 1000 ° C, lo que requiere un diseño de material especializado. Las superaleaciones basadas en Co, Ni y Fe han sido diseñadas para ser altamente resistentes a la fluencia. El término 'superaleación' generalmente se refiere a aleaciones austeníticas a base de Ni, Fe o Co que usan reforzamiento por precipitación γ 'o γ ”para mantener la resistencia a altas temperaturas.
La fase γ 'es una fase de Ni3 (Al, Ti, Ta, Nb) de estructura L12 cúbica que produce precipitados cuboidales. Las superaleaciones a menudo tienen una fracción en volumen alta (60-75%) de precipitados γ '. [37] Los precipitados γ 'son coherentes con la fase γ original y son resistentes al cizallamiento debido al desarrollo de un límite antifase cuando se cizalla el precipitado. La fase γ ”es una estructura tetragonal de Ni3Nb o Ni3V. La fase γ ”, sin embargo, es inestable por encima de 650 ° C, por lo que γ” se usa con menos frecuencia como fase de refuerzo en aplicaciones de alta temperatura. Los carburos también se utilizan en superaleaciones policristalinas para inhibir el deslizamiento de los límites de los granos . [38]
Se pueden agregar muchos otros elementos a las superaleaciones para adaptar sus propiedades. Se pueden usar para el fortalecimiento de soluciones sólidas, para reducir la formación de precipitados frágiles indeseables y para aumentar la resistencia a la oxidación o corrosión. Las superaleaciones a base de Ni han encontrado un uso generalizado en aplicaciones de baja tensión y alta temperatura. Las superaleaciones basadas en Fe generalmente no se usan a altas temperaturas ya que la fase γ 'no es estable en la matriz de Fe, pero a veces se usan a temperaturas moderadamente altas, ya que el hierro es significativamente más barato que el níquel. La estructura γ 'basada en co se encontró en 2006, lo que permitió el desarrollo de superaleaciones a base de Co, que son superiores a las superaleaciones a base de Ni en cuanto a resistencia a la corrosión. Sin embargo, en el sistema base (Co-W-Al), γ 'solo es estable por debajo de 900 ° C, y las superaleaciones a base de Co tienden a ser más débiles que sus contrapartes de Ni. [39]
Ver también
- Biomaterial
- Biomecánica
- Temperatura de transición dúctil-frágil en la ciencia de los materiales
- Mecanismo de deformación
- Fluencia cuesta abajo
- Histéresis
- Parámetro de Larson-Miller
- Relajación del estrés
- Viscoelasticidad
- Viscoplasticidad
- Zona de transición frágil-dúctil
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Grupo de investigación de análisis de fluencia - Politecnico di Torino
- Mapas de mecanismos de deformación, plasticidad y fluencia de metales y cerámicas
- El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología - WTC Briefing
- "Introducción a Creep" . Archivado desde el original el 17 de junio de 2008 . Consultado el 16 de octubre de 2008 .