TEMA 17: FLUENCIA

17.1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE FLUENCIA

La fluencia:
deformación plástica del material, permanente y progresiva con el tiempo, bajo Condiciones de carga o tensión constantes. En los materiales metálicos es un problema Tecnológico a T≥0,4 Tf. A alta temperatura, aunque la tensión aplicada sea muy Inferior al límite elástico del material, éste se irá deformando Progresivamente, modificando sus dimensiones, pudiendo incluso llegar hasta la Rotura.  

La velocidad a La que se produce la deformación por fluencia depende del material, de la carga Aplicada y de la temperatura. Puede determinarse la deformación plástica Sufrida al cabo de un cierto tiempo, o el tiempo transcurrido hasta la rotura, O la tensión de rotura para un tiempo de vida determinado.

A la hora de Analizar el comportamiento de los materiales, se distinguen dos regíMenes de Fluencia, la fluencia a baja temperatura (T<0,4 Tf) y la fluencia A alta temperatura (T>0,4 Tf).

Fluencia a Baja Temperatura:

A temperaturas inferiores a 0,4 Tf, la velocidad de Deformación desciende rápidamente con el tiempo. La variación de la deformación Total del material por fluencia es muy pequeña. Se produce por movimiento De dislocaciones favorecido Por activación térmica, produciendo una cierta deformación plástica. La Temperatura contribuye al movimiento de dislocaciones, pero en pequeña medida. Solo es importante en aplicaciones de alta estabilidad dimensional.

Fluencia a Alta Temperatura:

Hay una gran influencia de la tensión y la temperatura. La deformación progresa de forma continua con el tiempo, y si se mantiene la Carga durante el tiempo suficiente, siempre se llega al fallo por rotura. Al Aumentar la tensión o la temperatura, aumenta la deformación instantánea Inicial del material, aumenta la velocidad de deformación y disminuye el tiempo Hasta la rotura t_R.

17.2. ETAPAS DE LA FLUENCIA A ALTA TEMPERATURA

Primera Etapa de Fluencia:

En Esta etapa la velocidad de deformación decrece con el tiempo.  . La deformación Se debe sobre todo al movimiento y multiplicación de dislocaciones por efecto De la activación térmica. Al aumentar el nº de dislocaciones se produce un Frenado de las mismas, y va disminuyendo la deformación que se produce con el Tiempo. Cuanto mayor es la temperatura y/o la tensión aplicada, mayor es la Velocidad de deformación por fluencia y menor el tiempo que se tarda en alcanzar La segunda etapa.

Segunda Etapa de Fluencia:

En esta etapa la velocidad de deformación es mínima Y aproximadamente constante. Mecanismos de deformación por fluencia (pueden ser Simultáneos o no):

— Fluencia por Difusión: Esta Resulta importante cuando los niveles de tensión son relativamente bajos. Cuando un cristal está sometido a fuerzas exteriores, se genera una gran Cantidad de vacantes junto a los bordes de grano sometidos a tracción. Hay un Flujo neto de vacantes desde las zonas de tracción a las de compresión. Los Granos se alargan en la dirección en que actúan las tensiones de tracción. Pueden distinguirse dos situaciones distintas: • Si  0,4 Tf≤ T ≤ 0,7 Tf, tiene lugar la fluencia De Coble.
Los átomos solo pueden difundirse a través de caminos en los que Sea más fácil la difusión, como las superficies libres, los bordes de grano o el Núcleo de las dislocaciones. Q = 0,5 Q_SD (energía de autodifusión de La red);  n=1, m=3 (difusión preferencial A través de bordes de grano. • Si T≥0,7 Tf, se produce fluencia de Nabarro-Herring.
El material posee energía suficiente para que tenga lugar La difusión de átomos a través del interior de los granos. Q= Q_SD; N=1, m=2.

— Fluencia por Dislocaciones:
Las Tensiones aplicadas serán altas. Se van a producir dos procesos simultáneos y contrapuestos: • Endurecimiento por acritud: las dislocaciones se multiplican y se irán Frenando. • Ablandamiento por restauración: al haber alta temperatura, se Favorece el cambio de plano de las dislocaciones y baja el nº total de Dislocaciones. La alta temperatura también permite que las dislocaciones se Reordenen dejando por tanto zonas libres de dislocaciones.

Esos procesos Se compensan en esta segunda etapa de forma que la densidad de dislocación Tiende a mantenerse constante y se alcanza un estado estacionario: la velocidad De deformación en la segunda etapa por este mecanismo es constante.

NOTA: Cuando se aplican tensiones pequeñas, predomina la fluencia por difusión. Cuando las tensiones sean elevadas, predominará la fluencia por dislocaciones.

— Fluencia por Deslizamiento de Bordes de Grano:Los granos cristalinos Pueden sufrir desplazamientos relativos entre sí, deslizando unos respecto a Otros en la dirección de aplicación de la tensión. Cuanto más fino es el grano, Más fácil es el desplazamiento relativo. El grano basto y alargado en la Dirección de la tensión aplicada dificulta la deformación por deslizamiento de Bordes de grano. De hecho, este mecanismo solo es importante para tamaños de grano Muy pequeños, produciendo, cuando puede tener lugar, deformaciones plásticas Muy elevadas, en un proceso conocido como superplasticidad.

— Influencia del tamaño del grano: Para tener buen comportamiento a fluencia Interesan estructuras de grano basto, e incluso monocristalinas, y Preferiblemente orientados en la dirección de la carga. El grano basto reduce La posibilidad de fluencia por difusión y también se reduce el deslizamiento Intercristalino.

Los mecanismos de deformación predominantes Para una determinada combinación de tensión-temperatura, así como la velocidad De deformación en la segunda etapa de fluencia, pueden determinarse mediante Los mapas de deformación.
En estos diagramas se representa la tensión Normalizada frente a la temperatura homóloga. Se trazan, de forma experimental, Para cada material y para un tamaño de grano determinado.

Tercera Etapa de Fluencia:

La velocidad de deformación crece Rápidamente con el tiempo, hasta que se produce la rotura. El aumento en la Velocidad de deformación es consecuencia de: la reducción de sección del Material (puede llegar a producirse estricción localizada). Puede haber Inestabilidades microestructurales que hagan disminuir la resistencia del material: Recristalización, o coalescencia de precipitados. También puede haber nucleación Y crecimiento de microgrietas, y cavidades en los bordes de grano.

17.3. PARÁMETROS DE DISEÑO

Los parámetros más importantes de diseño Son: • La velocidad de deformación en la segunda etapa de fluencia. • El tiempo Hasta la rotura.

Para una tensión de rotura dada, el tiempo Hasta la rotura y la temperatura están relacionados a través del parámetro De Larson-Miller:
PLM = T (C + log t_f).  Cuanto menor es la tensión de trabajo, mayor Es el parámetro de Larson-Miller. Las combinaciones de temperatura y tiempo que Den el mismo parámetro provocan el fallo con la misma tensión de rotura. Cuanto Mayor es la temperatura de trabajo, el tiempo hasta la rotura, para una tensión Dada, es menor.

17.4. DISEÑO DE ALEACIONES PARA FLUENCIA

• Matriz con estructura cristalina compacta (FCC). • Matriz estable hasta la temperatura de fusión. • Alta temperatura de Fusión y alta plasticidad. • Que la matriz esté reforzada por solución sólida. • Que la matriz esté reforzada por precipitación o con partículas insolubles.     • Reforzar los bordes de grano (mediante La precipitación de partículas en borde de grano).                • Tamaño de grano: grueso y Alargado (mejor monocristal).