Fluencia en materiales

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Capítulo 20 Fluencia y fractura

por fluencia

20.1

Introducción
Hasta ahora nos hemos centrado en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente. Muchas estructuras -especialmente aquellas relacionadas con la energía, como turbinas, reactores, máquinas de vapor y plantas químicas- funcionan a temperaturas mucho más altas. A temperatura ambiente, la deformación de la mayoría delos metales y cerámicos depende de la tensión y, a efectos prácticos, es independiente del tiempo: £ = f(o) sólido elástico/plástico

A medida que aumenta la temperatura, las cargas que no provocan deformación permanente a temperatura ambiente sí pueden producirfluencia en los materiales. La fluencia es una lenta y continua deformación con el tiempo; la deformación, en lugar de depender sólo dela tensión, pasa a depender ahora del tiempo y de la temperatura: e = f(o,t,T) sólido deformándose por fluencia

Es habitual referirse al primer comportamiento como de "baja temperatura" y al segundo como de "alta temperatura". ¿Pero qué es "baja" o "alta" temperatura? El wolframio empleado en los filamentos de las lámparas tiene una temperatura de fusión muy alta -por'encima de 3000 °C. La"temperatura ambiente" para el wolframio es una temperatura muy baja. No obstante, si se calienta lo suficiente el wolframio fluirá -ésta es, en definitiva, la razón de por qué las bombillas se funden. Las lámparas de wolframio funcionan a unos 2000 °C -para el wolframio, ésta es una temperatura alta. Si se examina un filamento que haya fallado, se puede observar cómo se ha combado por su propio peso,llegando incluso a tocarse puntos distantes de la espiral -es decir, se ha deformado por fluencia. La Figura 20.1 y la Tabla 20.1 presentan los puntos de fusión de los metales y los cerámicos, y las temperaturas de reblandecimiento de los polímeros. La mayoría de los metales y cerámicos tienen puntos de fusión elevados y, por ello, comienzan afluir sólo a temperaturas muy por encima de latemperatura ambiente -ésta es la razón de por qué la fluencia es un fenómeno menos familiar que la deformación elástica o plástica. Pero el plomo, por ejemplo, tiene una temperatura de fusión de 600 K; la temperatura ambiente, 300 K, es exactamente la mitad de su punto de fusión absoluto. La temperatura ambiente para el plomo es una temperatura alta, y fluye -como muestra la Figura 20.2. El cerámico hielofunde a 0 °C. Los glaciares "templados" (aquellos cuya temperatura es cercana a 0 °C) se encuentran a una temperatura a la cual el hielo fluye rápidamente -por eso los glaciares se mueven. Incluso el espesor del casquete helado de la Antártida, que controla el nivel de los océanos, queda definido por la fluencia del hielo a unos -30 °C. La temperatura a la cual los materiales experimentanfluencia depende de su punto de fusión. Con carácter general, se ha encontrado que la fluencia comienza cuando T > 0,3 a 0,4 TM para metales, T> 0,4 a 0,5 para cerámicos,

20.1

Introducción

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5000

Cerámicos

Metales

Polímeros

Materiales compuestos

4000

Diamante Grafito Wolframio Tántalo

3000

SiC MgO

Molibdeno Niobio Cromo Zirconio Platino Titanio Hierro/AceroCobalto/Níquel Cobre Oro Plata Aluminio Magnesio Zinc Plomo Estaño Mercurio

Al 2 0 3 Si 3 N 4 2000 Silicio

1000

Haluros alcalinos

Hielo

Figura 2 0 . 1

Temperatura de fusión o reblandecimiento.

donde TM es la temperatura de fusión en Kelvin. Sin embargo, mediante procedimientos especiales de aleación se puede elevar la temperatura a la cual la fluencia comienza a ser un problema.Los polímeros también experimentan fluencia -muchos de ellos incluso a temperatura ambiente. Como ya se dijo en el Capítulo 5, la mayoría de los polímeros comunes no son cristalinos y no tienen un punto de fusión bien definido. Para éstos, la temperatura importante es la de transición vitrea,* T0 Por encima de esta temperatura los polímeros se encuentran en un estado correoso o elastomérico y...