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Diagnóstico y análisis de fallas

Capítulo XII – Fallas a altas temperaturas 1

Capítulo XII

Fallas a altas temperaturas

1. Introducción

La fluencia o creep corresponde a una deformación continua y lenta en el

tiempo. Se produce a altas temperaturas. Este fenómeno se da por ejemplo en

turbinas, calderas y, en general, en equipos que funcionan a altas

temperaturas.

Es necesaria la concurrencia de tres factores: temperatura (T), tiempo (t) y

esfuerzo ().

Esto se puede escribir de la forma:

),,( tTf

La alta temperatura es relativa al punto de fusión del material que retrate.

Para metales, la fluencia se presenta para T>0.3-0.4Tm

Para cerámicos, la fluencia se presenta para T>0.4-0.5Tm

en que Tm representa la temperatura de fusión. Así por ejemplo, el plomo,

cuya temperatura de fusión es 327ºC, experimenta fluencia a temperatura

ambiente. El estaño (Tm = 232ºC) también es otro material capaz de

experimentar fluencia a temperatura ambiente.



2. Curvas de Fluencia

La apariencia de una curva de fluencia es la que se muestra en la figura 1,

destacándose tres zonas:

Zona I o de fluencia primaria: la velocidad de deformación disminuye con el

tiempo.

Zona II o de fluencia secundaria: la velocidad de deformación es constante.

Zona III o de fluencia terciaria: se caracteriza por un rápido crecimiento en la

velocidad de deformación.

Tanto la zona I como la III no permiten realizar un diseño que considere el

creep. Sin embargo, la zona II, dada la estabilidad que muestra, sí permite

realizar un diseño que considere este fenómeno.

Figura 1. Curva de creep a temperatura y esfuerzo constantes.

En general se ha encontrado que la velocidad de deformación en el estado

estacionario ss puede escribirse como

n

ss B con n entre 3 y 8

lo que se denomina ley potencial de fluencia.

Deformación

elástica inicial

t

ss

Fluencia

secundaria

Fluencia

Terciaria

Fluencia

Primaria



Por tanto, al trazar la curva de log ss frente a log se obtiene:

Al graficar log ss frente al inverso de la temperatura se obtiene una línea recta,

tal como se muestra en la figura 3. La pendiente de esta recta corresponde a –

Q/R, en que Q es la energía de activación para la fluencia (J/mol).

La relación anterior también se puede expresar tal como se muestra en la

figura 4, en donde aparece clara la dependencia exponencial entre la velocidad

de deformación y la temperatura.

Figura 3. Relación entre log ss y 1/T a esfuerzo constante.

Figura 4. Relación entre ss y T.

Combinando estas dos últimas expresiones se tiene que

RTQ

n

ss eA

log ss

log

n=1

n=3-8

1/T

log ss

-Q/R

=constante

T

ss

RTQ

ss Ce

Figura 2. Curva de log ss

frente a log a temperatura

constante.



Los valores de A, n y Q dependen del material y deben ser determinados

experimentalmente.

3. Daño y Fractura por Creep

Al producirse daño por creep se forman cavidades en la junta de grano. La

parte de la curva que corresponde a la iniciación del daño se muestra en la

figura 5 y marca el inicio de la zona III. Al formarse estas cavidades, el

esfuerzo se incrementa, por lo que las cavidades crecen aún más. Además,

dado que n, la velocidad de deformación crece más rápidamente que el

esfuerzo.

Figura 5. (a) Inicio del daño por creep; (b) Daño en los límites de grano.

Hay una serie de medidas a tener presente cuando los materiales son

susceptibles de experimentar daño por creep:

t

Deformación

elástica inicial

Fluencia

Terciaria

Comienzo del

daño

(a)

(b)



a) La deformación por creep debe ser aceptable durante la vida útil (cr).

b) La ductilidad a creep cr

f (deformación a rotura) debe ser adecuada para

hacer frente a la deformación aceptable.

c) El tiempo de falla a las condiciones de diseño (T,) debe ser mayor que

la vida útil.

4. Diagramas de fluencia-rotura

Tal como se muestra en la figura 6, al aumentar la temperatura, disminuye el

tiempo necesario para la rotura, a esfuerzo aplicado constante. Lo mismo

puede decirse del esfuerzo necesario, al aumentar la temperatura y mantener

el tiempo constante.

Figura 6. Esquema que muestra la variación del tiempo de rotura con la carga aplicada para

diferentes temperaturas.

5. Mecanismos de Creep

En un material cristalino, el esfuerzo necesario para producir deformación es

aquel requerido para que las dislocaciones realicen los siguientes trabajos:

1. Vencer la resistencia intrínseca de la red (tensión de Peierls)

2. Vencer la resistencia que oponen los obstáculos, tales como solutos

disueltos, precipitados y otras dislocaciones.

La difusión de átomos, puede ayudar a la dislocación a vencer la resistencia

impuesta por los obstáculos presentados en su camino.

T1

T2

T3

log

log t

T3>T2>T1



En la figura 7 se muestra una dislocación detenida por un precipitado. Al

aplicar un esfuerzo , aparece una fuerza por unidad de longitud de magnitud

b cuya componente vertical es btg. Este componente vertical trata de sacar

a la dislocación de su plano de deslizamiento. Sin embargo, la dislocación no

puede trepar cizallando planos atómicos.

Figura 7. Representación de la interacción entre un precipitado y una dislocación.

6. Efecto de la Difusión

Una forma que tiene la dislocación de trepar es a través de la difusión de

átomos. Para conocer el efecto de la difusión sobre la fluencia, se debe tener

presente que el coeficiente. de difusión viene dado por:

RTQDD dif /exp0

en que Qdif es la energía de activación para la difusión. La velocidad de

deformación por fluencia es:

RTQA nss /exp

Ahora bien ¿cómo ayuda la difusión al trepado?

La forma en que la difusión ayuda al trepado se puede aclarar con la ayuda de

la figura 7.8, en la que puede apreciarse que es posible que una dislocación

efectúe trepado, cuando se produce la difusión de uno de los átomos

pertenecientes al semiplano extra, de tal manera de facilitar dicho trepado.

Este átomo que difunde puede ser periférico o bien interior a la dislocación.

Fuerza de deslizamiento b

Plano de deslizamiento

Fuerza de

trepado

b tg



Precipitado Precipitado

T>0,3Tm

Figura 8. Esquema del trepado de dislocaciones por difusión.

La fuerza impulsora es la tensión mecánica aplicada. A bajas temperaturas hay

difusión de átomos periféricos en tanto que a altas temperaturas hay difusión

de átomos centrales.

A altos esfuerzos aplicados, se destraba una mayor cantidad de dislocaciones,

lo que supone una mayor cantidad de dislocaciones que deslizan, lo que a su

vez implica un mayor valor de ss .

7. Secuencia de Trepado-Deslizamiento

Existe la posibilidad de que dos mecanismos operen cooperativamente. Tal es

el caso de trepado y deslizamiento. Cuando las dislocaciones trepan,

comienza a moverse nuevamente de acuerdo con la teoría de deslizamiento

clásica. En la figura 9 se ejemplifica este mecanismo doble de trepado -

deslizamiento.

Figura 9. Efecto del trepado y el deslizamiento en el creep.

8. Fluencia por difusión

A altas temperaturas homólogas es posible que se produzca fluencia debido a

difusión de átomos. En la figura 10 se muestra un policristal sometido a

esfuerzos tractivos (eje vertical) y compresivos (eje horizontal). Producto de

Trepado

Trepado

Deslizamiento



estos esfuerzos, los granos se alargan en la dirección del eje de tracción y se

contraen en el sentido del eje compresivo. Esto supone en flujo neto de

átomos, tal como se muestra en la figura 10(b), esto es, desde las zonas

compresivas a las tractivas.

Existe una relación lineal entre ss y .

A esfuerzos bajos la ley potencial pierde validez. La presencia de un nivel de

esfuerzo produce elongación en los granos, lo que supone difusión de átomos.

La difusión de átomos se realiza a través de las juntas de grano a bajas

temperaturas (bajas T/Tm). A altas temperaturas, la difusión puede realizarse

a través del interior del mismo. La velocidad de difusión es proporcional al

coeficiente de difusión y al esfuerzo aplicado.

Figura 10. Esquema mostrando el efecto de difusión en el Creep.

Al aumentar el tamaño de grano, disminuye las juntas de grano y por tanto

disminuye la velocidad de fluencia, de acuerdo a:

2d

eC RTQ

ss

d

Difusión

dentro del grano

Difusión

por borde

de grano



Resumen de los mecanismos de deformación.

A continuación se resumen los mecanismo de deformación que pueden actuar

sobre un metal.

Mecanismo 0. Deslizamiento cristalográfico.

Si la tensión cortante aplicada es mayor que la resistencia ideal del cristal

(G/20), se produce deslizamiento. Este es un caso ideal, debido a la existencia

de las dislocaciones.

<ideal 0

ideal

ideal G/20

Mecanismos 1 y 2. Deslizamiento de dislocaciones

Ocurre a temperaturas en torno a 0.3 Tm, siendo Tm la temperatura de fusión

del material.

1. Controlado por obstáculos

10

1101 1exp

kT

G

en que 10 = tensión crítica reducida.

186

10 1010 s

2. Controlado por la tensión de Peierls: 2

2

20

2202 1exp

kT

G

186

20 1010 s

Mecanismo 3. Movimiento de dislocaciones por trepado.

Ocurre a temperaturas mayores o iguales a 0.3 Tm

La difusión ayuda al trepado (dislocation creep)

m

ef

GkT

GbDA

3

A bajas temperaturas Def = Dc, la difusión se produce por la periferia de las

dislocaciones.



A altas temperaturas Def = Dv, la difusión se produce por el volumen de las

dislocaciones.

Mecanismo 4. Fluencia por difusión

Si es pequeña, no existe movimiento de dislocaciones, por lo que cobra

importancia la difusión.

en que:

es el volumen atómico

d es el tamaño de grano

es el espesor efectivo de la junta

Dv y Db corresponden a los coeficientes de difusión a través del volumen y de la

junta.

A bajas temperaturas, la difusión tiene lugar a través de las juntas de grano, lo

que se denomina fluencia lenta (o de Coble).

A altas temperaturas, la difusión tiene lugar a través del volumen, también

llamada fluencia lenta o de Peierls-Nabarro.

Diagramas de Mecanismos de Deformación

Son diagramas /G frente a T/Tm.

bv D

dD

kTdB

24



Figura 11. Diagrama de mecanismos de deformación.

Los mecanismos de deformación expuestos, en general se encuentran

compitiendo en cada material. Esta competencia está relacionada con la

temperatura a la que se produce la deformación y por el nivel de esfuerzos

aplicado. Para cada material pueden representarse los distintos mecanismos

de deformación actuante, de acuerdo a la temperatura a la que se encuentre el

material, tal como se aprecia en la figura 11.

A altos valores de esfuerzo y todo el rango de temperatura se activa el

deslizamiento de dislocaciones. A bajas temperaturas y bajos esfuerzos, sólo

está activa la deformación elástica. A medida que se aumenta la temperatura

manteniendo un bajo nivel de esfuerzos, se activa el flujo difusional, ya sea por

el borde de grano o bien por el interior del grano. Si en cambio, se aumentan la

temperatura y el esfuerzo aplicado simultáneamente, comienza a tener lugar la

deformación plástica por fluencia de dislocaciones, ya sea debida a flujo de

átomos por la periferia o por el interior de las mismas.

T/Tm

/G

0,5

10-3

10-2

10-4

sólo deformación elástica

fluencia de

dislocaciones

interior

periferia

flujo

difusional

borde de grano

interior del

grano

tensión ideal de cortadura

deslizamiento de dislocaciones



Mapas de deformación de plomo para dos tamaños de grano diferentes.



1.



Fatiga Térmica.

La fatiga térmica es debida a ciclos térmicos de calentamiento y enfriamiento

sucesivos que producen una expansión y contracción alternadas en una

determinada pieza. Cuando el metal se contrae r enfriamiento, si está

restringido e su movimiento, se producen esfuerzos tractivos. Si los ciclos de

expansión y contracción continúan, se nuclear grietas que nacen y crecen

durante el enfriamiento. En la figura 14 se muestra una válvula que falló por

fatiga térmica.

Los ciclos térmicos pueden ser también debidos a la fricción, como sucede en

los tambores de frenos y en embragues, donde la superficie es calentada y

expandida frecuentemente por fricción, quedando restringido su movimiento por

el metal frío subyacente bajo la superficie.

Oxidación

En muchas aplicaciones, el mayor problema a altas temperaturas es la

oxidación. Esto es particularmente cierto cuando los metales son sometidos a

ciclos térmicos, ya que a capa de óxido que se forma a alta temperatura, se

fractura durante el enfriamiento, se desprende y deja nueva superficie expuesta

a la oxidación.

Los aceros inoxidables ferríticos presentan mayor resistencia a la corrosión que

las aleaciones base níquel. Estos aceros, en especial el tipo 409, son

recomendados para la industria del automóvil en aquellas aplicaciones de ata

temperatura tal como el convertidor analítico bien los sistemas de evacuación

de gases del motor. Bajo condiciones favorables estos aceros forman una capa

superficial adherente de óxido que se expande y contrae con el metal base,

haciendo de este material el idóneo para aquellas aplicaciones en que no se

necesita gran resistencia mecánica a altas temperaturas.



Figura 12. Tubo de acero inoxidable tipo 321 (ASME SA-213, grado TP321H) perteneciente a

un intercambiador de calor que falló por ruptura por esfuerzo en la pared. Arriba se muestra

una vista general de la fractura, tipo “boca de pescado”. Abajo a la izquierda se muestra una

macroimagen (4,5X) de la zona marcada arriba con las flechas mostrando agrietamiento

transversal



Figura 13. Fracturas tipo “boca de pez” ocurridas en tubos calentadores de 2 in (arriba) y 2.5 in

(abajo) de diámetro interno. En la imagen superior el tubo se dobló lejos de la fractura debido a

la fuerza del vapor de escape. El material corresponde a un acero ASME SA-213 T22 (0,15%C

máx., 1,90 a 2,60 %Cr, 0,87 a 1,13 % Mo). La dureza fue 96-98 HRB. Se encontró un

depósito de 0,012 in de espesor en la zona interna, lo que disminuyó la eficiencia de la

transferencia de calor produciendo un sobrecalentamiento hasta 830-860ºC. En la imagen de

abajo, la apariencia se debe a una fuerza lateral superpuesta al vapor que escapó. El material

es acero ASME SA-213, 1,25%Cr-0,5%Mo.



Figura 14. Grieta por fatiga térmica en una aleación de recubrimiento en una válvula de escape

correspondiente a un motor de automóvil. Hay varias grietas adicionales debidas a fatiga

térmica. El origen del daño se encuentra en la grieta. La eficiencia del motor disminuyó

notablemente al disminuir la compresión cuando los gases calientes se perdían por el orificio

de la grieta.

Figura 15. Falla por corrosión-erosión en dos válvulas de escape hechas de una superaleación

base níquel que operaba entre 760 y 815ºC. El daño por el gas de escape bajo el radio de la

cabeza fue identificado como corrosión por óxido de plomo agravada por bromuros de la

gasolina.



Figura 16. Corrosión-erosión a alta temperatura de un álabe de un motor turbopropulsado. La

mayor parte del álabe está dañado por sulfidización o corrosión debida a un alto contenido de

azufre en el combustible. El álabe tiene 34 mm de largo y está hecho de la aleación INCO 713

sin recubrimiento. A veces se aplican recubrimientos de aluminuros de níquel sobre la aleación

con el fin de mejorar la resistencia a la corrosión

Figura 17. Alabe de un motor de aviación turbopropulsado enfriado por aire. El borde es

también refrigerado por aire insuflado entre las dos superficies delgadas de metal. La aleación

es base níquel: INCO 713. El daño en el borde fue causado por un objeto extraño que fue

succionado al interior del motor durante el servicio.



Figura 18(a) Quemado incipiente en la superficie de una válvula de escape perteneciente a

un motor de automóvil causada por microporosidad en la aleación dura superficial. (b)

Quemado severo de una válvula de escape de un motor de automóvil. Los gases

quemados muy calientes pasan a través de la cavidad removiendo los depósitos

adyacentes a las áreas quemadas, como se indica por las flechas. La operación continua

de la válvula de la figura (a) conducirá finalmente a este tipo de daño.

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