sábado, junio 17, 2006

Resumen

Los términos alta y baja temperatura son completamente relativos respecto a nuestro propio medio natural. Lo que se considera una alta temperatura para metales de bajo punto de fusión (como estaño y plomo) puede considerarse como una baja temperatura para un metal de alto punto de fusión ( como el tungsteno). Por tanto, los metales con menor punto de fusión exhibirán características a bajas temperaturas que requerirán temperaturas relativamente mayores para otros metales; por ejemplo, una temperatura de aproximadamente 1000 ºF puede ser necesaria para recristalizar hierro después de trabajar en frío, pero el estaño y el plomo recristalizarán a la temperatura ambiente o cerca de ella. Las propiedades de los metales generalmente se determinan a temperatura ambiente, y la idea que se tenga respecto a los metales se basa en su comportamiento a temperaturas normales. Cuando se cambia la temperatura, llegando a ser mayor o menor, los cambios en el comportamiento de los metales ocurren a menudo y pueden afectar seriamente su aplicación específica.

Metales a Altas Temperaturas

1.1 Pruebas a Temperatura Elevada

El comportamiento que se observa en los metales al someterlos a esfuerzos a altas temperaturas depende de la duración del periodo de prueba. Como la expectación de vida de las piezas de maquinaria suele ser alta, no es posible llevar a cabo un ensayo por muchos años para determinar qué utilizar en la construcción actual. Es necesario extrapolar basándose en ensayos de tiempos más cortos; sin embargo, esta extrapolación debe hacerse con gran cuidado a partir de pruebas que proporcionen datos útiles. Esto es especialmente difícil para aplicaciones a alta temperatura, ya que ocurrirán cambios en el comportamiento conforme transcurra el tiempo a la temperatura de trabajo.
En las pruebas a alta temperatura, es necesario determinar la dependencia de la resistencia límite (resistencia a la ruptura) y la resistencia a la cedencia (resistencia a la fluencia) respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo.
Se han diseñado muchas pruebas para realizar estudios a alta temperatura, pero las más ampliamente utilizadas son:
A) Pruebas de fluencia con pequeñas deformaciones: bajas rapideces de esfuerzos y deformación durante largos periodos.
B) Pruebas de esfuerzo-ruptura (fluencia-ruptura) con mayores deformaciones: intensidades mayores de esfuerzos y deformación durante periodos más reducidos.
C) Pruebas tensiles de tiempo corto con grandes deformaciones: rapideces de esfuerzos altos y deformaciones severas disponibles con el tiempo usual de pruebas de tensión.

1.1.1 Pruebas de fluencia

La fluencia es una propiedad de gran importancia en los materiales para aplicaciones a alta temperatura. Puede definirse como un flujo plástico lento y continuo, bajo condiciones constantes de carga o esfuerzo. La fluencia generalmente se asocia con una rapidez de tiempo de deformación que continúa aún bajo esfuerzos inferiores a la resistencia de cedencia nominal a la temperatura específica a la cual está sujeto el metal. Ocurre a cualquier temperatura, aunque su importancia depende del material y del grado en que se quiera evitar que la deformación continúe.
Una prueba de fluencia es simplemente una prueba de tensión efectuada a carga y temperatura constante. Hay un medio para medir la elongación de la muestra con mucha precisión y un medio para calentar la muestra bajo condiciones estrechamente controladas. La fluencia total o porcentaje de elongación se grafica contra el tiempo, cubriendo para ello la duración completa de la prueba.

1.1.2 Pruebas de esfuerzo-ruptura

Estas pruebas tienen por objeto determinar la capacidad de un material para resistir la fractura a altas temperaturas. En las pruebas de esfuerzo-ruptura, las cargas son suficientemente altas para producir rupturas comparativamente rápidas. El tiempo utilizado suele estar entre 10 y 400 hr, aunque algunas pruebas se pueden efectuar en 1000 hr.
Una serie de muestras son rotas a cada temperatura de interés, bajo carga constante, seleccionando los esfuerzos de tal manera que las fracturas se presenten a partir de unos minutos hasta varios cientos de horas. Los resultados generalmente se grafican en coordenadas log-log y, si no ocurren cambios estructurales durante el periodo de prueba, la relación entre el esfuerzo de ruptura y tiempo y la ruptura efectiva es lineal.
Las principales diferencias entre las pruebas de esfuerzo-ruptura y las de fluencia son el tiempo de prueba, el nivel de rapidez de esfuerzo o deformación, y la sensibilidad de control y medición de temperatura, carga y deformación. Antes de la fractura es posible determinar la elongación como función del tiempo, como en una prueba ordinaria de fluencia. De estos datos, también se puede determinar la rapidez de fluencia en condiciones estables o mínima rapidez de fluencia para esfuerzos muy altos.

1.1.3 Pruebas de tensión en tiempos cortos

Estas pruebas se utilizan para estudiar el efecto de calentar una muestra y probarla bajo intensidades de deformación disponibles en la máquina ordinaria de pruebas tensiles. Las propiedades elásticas a altas temperaturas no son reales, ya que sus valores dependen del tiempo entre las aplicaciones de las cargas, y su precisión depende de la sensibilidad del extensómetro. La duración del ensayo suele ser de sólo unos minutos, y los efectos importantes del tiempo en que permanece sometido a la temperatura no se miden. La prueba de tensión en corto tiempo falla en predecir lo que sucederá en un periodo más corto o más largo y, por tanto, tiene poca aplicación. La prueba algunas veces se utiliza para una rápida estimación de materiales a fin de garantizar que sea conveniente un estudio ulterior, y la resistencia tensil de tiempo corto se emplea a menudo como el punto 0.1 hr. Sobre una curva de ruptura.

1.2 Propiedades de fluencia de varias aleaciones

Los aceros al carbono y los aceros de baja aleación tienen amplias aplicaciones a temperaturas moderadas en especial inferiores a 900 ºF. Un incremento en el contenido de carbono mejora la resistencia de fluencia a temperaturas inferiores cuando los carburos están presentes en forma laminar. Lo contrario es cierto a temperaturas superiores cuando los carburos están esferoidizados. La estructura recomendada de aceros al carbono para servicio a temperatura alta es la normal. La estructura recocida parece ser menos estable y tiende a esferoidizarse más rápidamente, reduciendo la resistencia de fluencia. Utilizar aluminio como desoxidador en la manufactura de acero tiende a producir grano fino, el cual disminuye la resistencia de fluencia. Las adiciones de aluminio deben mantenerse bajas, y su efecto es reducido considerablemente por la presencia de manganeso y molibdeno.
En los aceros de baja aleación, que contienen menos del 10% de aleación, el molibdeno y el vanadio son muy efectivos en aumentar la resistencia de fluencia. El contenido de carbono generalmente se mantiene a menos del 0.15%. El acero con 0.5% de molibdeno se utiliza para tubería y tubos de sobrecalentadores a temperaturas hasta de 850ºF. Por encima de esta temperatura, la esferoidización y la grafitización tienden a tener lugar, con una reducción en la resistencia de fluencia. La adición de 1% de cromo a este acero incrementa la resistencia a la grafitización, y el acero se puede utilizar para tubería y tubos para caldera a temperaturas hasta de 1000ºF.
Los aceros al cromo-molibdeno-vanadio que contienen hasta 0.5% de carbono se utiliza en la condición de normalizado y revenido, o templado y revenido. Tienen resistencia de cedencia y de fluencia relativamente altas y son adecuados para pernos, rotores para turbinas de vapor y otras piezas que funcionan a temperaturas hasta de 1000ºF.