el uso de materiales a altas temperaturas final

7/23/2019 El Uso de Materiales a Altas Temperaturas Final

1/8

EL USO DE MATERIALES A ALTAS TEMPERATURAS

Introduccin y sinopsis

Este captulo explora las formas en que las propiedades cambian con la temperatura y mtodos de dis

para hacer frente a los cambios.

13.2 La dependencia de la temperatura de las propiedades del material

Las temper atur as mxim as y mnimas de serv icioLa primera nos dice la ms alta temperatura en

los materiales razonablemente se pueden utilizar sin oxidacin, qumicas cambio o desviacin excesiv

'creep' convertirse en un problema. Esta ltima es la temperatura por debajo del cual el material se vue

quebradizo o de otro modo peligroso de usar. La temperatura de servicio mnimo para aceros al carb

es la temperatura de transicin de dctil a frgil transicin temperatura por debajo de la cual la tenacida

la fractura cae abruptamente.

Lineal y dependenc ia de la temperatura no l inealAlgunas propiedades dependen de la temperatur

de una manera lineal

Fluencia A temperatura ambiente, la mayora metales y cermicas se deforman de una manera

depende sobre el esfuerzo. A medida que se elev

temperatura, cargas que son demasiado peque

para dar la deformacin permanente. Para dise

contra fluencia que necesitamos saber cmo

velocidad de deformacin o tiempo hasta el f

dependen de la la tensin y la temperatura T a

que est expuesto.

Pruebas y f luencia curva de f luenciaLa Fluenciamide en la forma mostrada en la figura 13.3.

fluencia se mide como una funcin del tiem

Metales, polmeros y cermicas todos tienen cur

de fluencia con la forma general se muestra en

figura.

la fluencia en estado estacionario de un material vara de un

material a otro y tiene que ser medido experimentalmente, A

veces la fluencia es deseable en Extrusin, laminacin en

caliente, prensado en caliente y forja se llevan a cabo a

temperaturas

Daos fluenc ia y frac tur a flu enc iaComo fluencia sigue, el

dao se acumula que poco a poco se expanden causando

que la tensin se eleve. La relacin de fluencia sube an

ms rpido que el esfuerzo: un aumento de la tensin de

10% da un aumento en la velocidad de fluencia de 60%.

Figura 13.1 La dependencia lineal de laspropiedades de la temperatura: la densidad, elmdulo, la resistividad e ndice de refraccin.

13.3 Pruebas de fluencia y la curva defluencia, que muestra cmo aumenta con

el tiempo t hasta el tiempo de fractura tf.


2/8

Normalmente se presentan como diagramas de fluencia de ruptura (Figura 13.5). Su aplicacin es obvia

conoce el estrs y la temperatura puedes leer el tiempo de servicio.

13.3 Grficos de comportamiento de fluencia

Punto d e fusin

Figura 13.6 muestra puntos de fusin de metales, cermicas

polmeros. La mayora de los metales y cermicas tienen altos pun

de fusin y, debido a esto, comienzan la fluencia slo a temperatu

muy por encima de la temperatura ambiente

La temperatura a la cual materiales comienzan a presentar fluen

depende de sus puntos de fusin. Como regla general, es encontra

que la fluencia comienza cuando T0,35 T m para metales y 0,45 T

para la cermica.

Temperatu ra mxim a de s ervicio y la f uerza Figura

13.7 tablas de la temperatura mxima de servicio T mx.

y la temperatura ambiente fuerza. Esto demuestra quelos polmeros y metales de fusin bajos, como las

aleaciones de zinc, magnesio y aluminio ofrecen

resistencia til a temperatura ambiente pero por 300 C

que dejan de ser tiles; de hecho, unos polmeros tienen

la fuerza til por encima de 135 C.

13.4 La ciencia: la difusin y la fluencia

Cuando un tomo pasa de cambiar su posicin

respecto a los que lo rodean por lo que se llama dedifusin

La difusin es el entremezclado espontnea de

tomos en el tiempo.

Inter-difusin es cuando un tomo qumicame

diferente ocupa la vacante.

Di fus in im pulsada por ot ros campos Un cam

elctrico gradiente puede conducir difusin

materiales no conductores. Incluso una temperagradiente puede conducir difusin de la materia,

como la difusin de calor.

Flujo de di fus in. Cuando hay vacantes,

esfuerzo favorece los movimientos que cambian

direccin de la tensin, y se opone a aquellos

hacen lo opuesto, dando flujo viscoso. Cuanto mayor sea la temperatura, hay ms vacantes y ms rp

ser el flujo.

13.5 Tiempos de fractura fluencia.Las escalas son logartmicas. Losdatos son tpicos de carbono deacero

13.6. Los puntos de fusin de cermica, metales

13.7La fuerza y la temperatura mxima de servicio de

los materiales.


3/8

La difusin no va a cambiar la forma de un cristal. De hecho lo hace, siempre y cuando el material

policristalino integrado de muchos cristales reunidos en los lmites de grano.

Deformacin por di fus in por ssola, dando f lujo de di fus in Cuando hay diferencia de tensin lo

el proceso se llama 'ascenso' y, ya que requiere de difusin. Despus de un pequeo desliz, por supues

las dislocaciones desbloqueadas encuentran con los siguientes obstculos, y todo el ciclo se repite. E

explica la progresiva, continua, naturaleza de la fluencia.

La dependencia sobre la difusin explica la dependencia

de velocidad de fluencia de la temperatura.

Mecanismo de deformacin diagramas. Los

materiales pueden deformarse por la plasticidad o, si la

temperatura es suficientemente alta, por flujo de difusin

o fluencia. Si el esfuerzo y la temperatura son

demasiado bajos para cualquiera de estos, la

deformacin es elstica. Esta competencia entre los

mecanismos se resume en la deformacin diagramas

mecanismo, de las cuales la figura 13.14 es un ejemplo.

Diagramas como estos estn disponibles para muchosmetales y cermicas, y son un resumen til de

comportamiento de fluencia, til en la seleccin de un material de alta temperatura.

Fractura de f luencia Difusin, hemos visto, da la fluencia. Tambin da la fractura fluencia. La fractura

fluencia en los lmites de grano (en tensin) puede ocurrir en forma inesperada en los lmites de grano

menudo slo 2-5%, por el mecanismo mostrado en la figura 13.15.

Mecanism os de f luencia: po lmero s Fluencia en

materiales cristalinos, como hemos visto, est muy

relacionada con la difusin, lo mismo puede decirse delos polmeros, sino porque la mayora de ellos son

parcial o totalmente amorfos, la difusin es controlada

por una vacante. Por lo tanto, los polmeros comienzan a

deslizarse cuando se acerca la temperatura Tg y que,

para la mayora, es una baja temperatura: de 50-150

C. Esto significa que el rango de temperatura en el que

se utilizan la mayora de los polmeros son slidos visco-

elsticas.

Figura 13.17 muestra los datos de mdulo de fluenciacomo una funcin de la temperatura T y el tiempo t. Datos de mdulo de fluencia permiten solucio

elsticas sean utilizado para el diseo contra la fluencia. La temperatura de servicio y vida de diseo

elegidos, el mdulo de fluencia resultante se ley en el grfico, y esto se utiliza en lugar de El mdulo

Young.

13.5 Materiales que se resisten a la fluencia

Lo s m etales y cermic as para r esist ir la fluenciael Flujo de difusin es importante cuando los gra

son pequeas (ya que a menudo estn en la cermica) y cuando el componente est sujeto a a

temperaturas a bajas cargas. Materiales que mejor resisten la fluencia de ley de potencia son aquellos

13.14 Un mapa mecanismo de deformacin, que

muestra el rgimen en el que cada mecanismoopera

13.17 El mdulo de fluencia de PMMAPolimetilmetacrilato


4/8

altos puntos de fusin. Los materiales resistentes a la fluencia son conocidos como super-aleaciones

mayora son a base de hierro, nquel o cobalto, fuertemente aleado con aluminio, cromo y tungsteno

grfico de la figura 13.8 muestra dos efectos: el punto de fusin de alta metales refractarios y

fuertemente aleados superaleaciones. Muchas cermicas tienen altos puntos de fusin, cumpliendo

primer criterio. Ellos hacen no necesita de aleacin debido a que su unin covalente les da una g

resistencia

Polmeros para resis tir la flu enc ia La resistencia a la deformacin de polmeros cambia con

temperatura de vidrio. La Tg (T a la que se da un cambio de estado) aumenta con el grado de reticulac(tiene una influencia notable sobre las propiedades fsicas (porosidad, hinchamiento, resisten

mecnica)); polmeros altamente reticulados (epoxis) con alta Tg son por lo tanto ms resistentes a

fluencia a temperatura ambiente que las que no lo son (como polietileno). La viscosidad de los polme

por encima de Tg aumenta con el peso molecular, por lo que la tasa de fluencia se reduce por tener

alto peso molecular.

La velocidad de fluencia de los polmeros se reduce llenndolos de slice (arena) o talco en cambio mej

resistencia cuando se obtiene con composiciones contienen fibras cortadas o continuas.

Seleccin de materiales para resist ir la fluencia

Los materiales han evolucionado para satisfacer las

necesidades de cada uno de estos rangos de

temperatura (Figura 13.18), muestra el rendimiento de

los materiales capaces de apoyar carga del puerto a

950 C. Grficas como ste se utilizan en el diseo

de la misma manera como aquellos para las

propiedades de baja temperatura.

13.6 Diseo para hacer frente a la fluencia

Problemas de fluencia son de cuatro tipos:

Aquellas en las que la tensin de fluencia limitada

puede ser aceptada, pero la rotura por fluencia

debe haber evitado, como en la fluencia de

tuberas o de tejados y revestimientos de plomo en

los edificios.

Aquellas en las que la tensin de fluencia es el

diseo que limita, como lo es para cuchillas en

vapor y turbinas de gas en espacios libres soncrticos

Aquellos que implica problemas ms complejos de

la deformacin con, prdida de rigidez y riesgo de

pandeo-un problema potencial con el espacio-marcos de aire supersnico artesana y vehcu

espaciales.

La p redicc in de la v ida de la alta temp eratura de las tu beras

Plantas de ingeniera qumica y de generacin de energa tienen tuberas que transporta el calor gase

lquidos a alta presin. Un poco de fluencia, la ampliacin de la tubera ligeramente, puede ser acepta

ruptura, con la liberacin violenta de fluido caliente, de alta presin, no se puede.

13.18 Materiales para cada rgimen de temperatur


5/8

La tensin en la pared () de un tubo de pared delgada

con un radio R y un espesor de pared t llevar a una

presin p, como en la figura 13.19.

La figura 13.20 muestra los datos de la rotura por esfuerzos

un acero inoxidable 304 Introduzca 225MPa a 650 C y lee

vida de rotura: cerca de 7 horas.

Lminas de turbina

A lo largo de la historia de su desarrollo, la turbina de gas se

limitado en empuje y la eficiencia por la disponibilidad

materiales que pueden soportar la alta tensin a a

temperaturas. Actualmente las turbinas se hacen en base

cobalto y nquel debido a su combinacin nica de resistenc

alta temperatura, tenacidad y resistencia a la oxidacin.

El

esfuerzo

tpico y temperatura de una cuchilla en un motor de

servicio mediano se muestran en la Figura 13.21.

Ellos se representan como una caja sombreada en

dos mapas mecanismo de deformacin en Figura

13.22. Si hecha de nquel puro (Figura 13.22 (a)) la

cuchilla se deformara por fluencia, a un ritmo

totalmente inaceptable, aumentar el tamao de

grano o eliminar por completo los lmites de grano

mediante el uso de un solo cristal. Esta disminuye

el flujo de difusin o se detiene por completo.

El punto a recordar es que la fluencia depende de

la tensin y de la temperatura aplicada al material.

Reves tim iento s de bar rera trm ica

La eficiencia y potencia de las turbinas de gas

avanzadas, como ya se ha dicho, est limitada por

la temperatura de combustin y esto a su vez est

limitado por la materiales de los cuales se hacen

las palas del rotor y el estator. El calor entra en la cuchilla del gas que se quema, como se muestra efigura 13.23.

Muchas cermicas tienen puntos de fusin ms altos que cualquier metal y algunos tienen b

conductividad trmica. Cermica no son lo suficientemente fuerte un revestimiento de barrera trm

(TBC) permite un aumento en la temperatura del gas sin aumento de la de la hoja. Cmo se elig

cermica? Las primeras consideraciones son los de una baja conductividad trmica, una temperat

mxima de servicio por encima de ese del gas y una resistencia adecuada

Fuselajes

13.20 Datos de tiempo de la rotura

por esfuerzos de tipo 304 acero

inoxidable.


6/8

13.23 Una seccin transversal de un labe de

turbina con un revestimiento de barrera trmica

(TBC). El perfil de temperatura para la cuchilla

sin revestir se muestra a la izquierda, que, para

el hoja revestida de la derecha

Si usted desea volar a velocidades superiores a Mach 1 (760 mph),

calefaccin aerodinmica se convierte en un problema. La

temperatura superficial T s puede calcularse; es aproximadamente

Figura 13.24 muestra lo que Ts Parece como es lgico, causa problemas. En primer lugar, la fluen

provoca un cambio gradual en la dimensin en el tiempo Para evitar la prdida de la calidad aerodinm

la deformacin por fluencia durante la vida til de la aeronave debe mantenerse por debajo de este. Fig

13.25 ilustra cmo la fuerza de tres posibles materiales estructurales influye en la eleccin.

13.8 Ejercicios

Ejercicio E13.1 Las constantes de auto-difusin para

aluminio son D o 1.7 10 4 m 2 / s y Q d 142kJ / mol. C

es el coeficiente de difusin en aluminio a 400 C?

Ejercicio E13.2 Un componente de acero es niquel

para dar proteccin contra la corrosin. Para aumenta

resistencia de la unin entre el acero y el nquel

componente es se calent durante 4 horas a 1.000 C

los parmetros de difusin del nquel en hierro son D o

10 4 m 2 / s y Q d 284kJ / mol, hasta dnde se pue

esperar el nquel se difunda en el acero en este tiempo

Ejercicio E13.3 El coeficiente de difusin en el punto

fusin de los materiales es de aproximadame

constante, con el valor D 10 12 m 2 / s. Cul es

difusin distancia si un material se mantiene durante 12 horas a justo por debajo de su temperatura

fusin tura? Esta distancia da una idea de la distancia mxima sobre la que gradientes concentrac

pueden ser suavizadas por difusin.

Ejercicio E13.4 Cules son los requisitos de un material de fluencia resistente? Qu materia

considerara para su uso a 550 C?

Ejercicio E13.5 tuberas con un radio de 20 mm y un espesor de pared de 4 mm hecha de 2 1 / 4 Acero

Mo contiene un fluido caliente a presin. La presin es 10 MPa a una temperatura de 600 C. La ta

muestra las constantes de fluencia de este acero. Calcular la tasa de fluencia de la pared del tubo, en

supuesto poder de la ley de estado estable fluencia.

Figura 13. 24 Calentamiento adiabtico

como una funcin de la velocidad.Figura 13.25 La fuerza de aleaciones como

una funcin de la temperatura


7/8

E13.6 Ejercicio existe la preocupacin de que la tubera se describe en el ejercicio anterior po

romperse en menos de la vida de diseo de 1 ao. Si la constante Monkman- Subvencin para 2 1

Acero Cr Mo es 0.06, cunto tiempo va a durar antes de que se rompa?

E13.7 Ejercicio Si la velocidad de fluencia de un componente hace de 2 1/4 Acero Cr Mo no debe exce

10 8 / segundo a 500 C, cul es el mayor esfuerzo que puede llevar con seguridad? Usar los datos

figuran en los dos ejemplos anteriores para averiguar.

Ejercicio E13.8 un cable de suspensin de acero inoxidable en un horno se somete a un estrs de

MPa a 700 C. Su velocidad de fluencia se encuentra que es inaceptablemente alto. Por lo q

mecanismo se produce fluencia? Qu medidas propondra usted para hacer frente al problema? La fig

muestra el mecanismo de mapa de deformacin para el material.

Ejercicio E13.9 La pared de una tubera del mismo acero inoxidable que el del ejercicio previo conlleva

estrs de 3 MPa a muy alta temperatura de 1000 C. En esta aplicacin catin l, tambin, se arrastr

un ritmo que es inaceptablemente alta. Por qu mecanismo se est produciendo la fluencia? Q

medidas propondra usted para resolver el problema? Ejercicio

Ejercicio 13.10 Se propone hacer un estante para un sistema de secado por aire caliente de la hoja

acrlico. El estante est simplemente apoyada, como en el diagrama, y tiene una anchura w 500mm,

espesor t 8 mm y una profundidad b 200mm. Se debe llevar un distribuida carga de 50 N a 60 C, con u

vida til de 800 horas (aproximadamente un ao) de uso continuo. Utilice la fluencia mdulo de traza en

Figura 13.17 y la solucin del problema elstico apropiado (Captulo 5)) para encontrar cunto va a ceen ese momento.


8/8

el uso de materiales a altas temperaturas final

Documents