Hay dos tipos de coeficientes de materiales relacionados con la temperatura: uno está relacionado con las propiedades mecánicas del material y el otro está asociado con la conducción de calor. El primero incluye factores como E, G, v, a, mientras que el segundo consta de C (capacidad térmica específica), ρ (densidad) y k (conductividad térmica).
Estos coeficientes no son constantes, sino que varían con la temperatura. Sin embargo, cuando la temperatura no es alta, sus valores medios suelen tratarse como constantes. En situaciones de temperatura elevada o variación importante, es fundamental considerar sus variaciones con la temperatura.
1. Relación entre coeficientes elásticos y temperatura.
El módulo de elasticidad E y el módulo de corte G de los metales disminuyen al aumentar la temperatura, mientras que la relación de Poisson v cambia poco con la temperatura. Las mediciones de E y G con temperatura se pueden realizar de forma estática o dinámica.
El método estático implica pruebas en un horno de alta temperatura utilizando carga, mientras que el método dinámico utiliza técnicas de pulso vibratorio o ultrasónico.
El método vibratorio permite que la muestra de prueba experimente una vibración elástica en el horno de alta temperatura, con las constantes elásticas determinadas mediante medición de frecuencia.
El método ultrasónico implica aplicar ondas ultrasónicas a la muestra de prueba, y E, G y v se determinan midiendo la velocidad de propagación de las ondas.
2. Relación entre el coeficiente de calor y la temperatura
El coeficiente de calor de los materiales metálicos generalmente presenta una relación lineal con la temperatura. El coeficiente de expansión lineal α tiende a aumentar linealmente a medida que aumenta la temperatura, mientras que la conductividad térmica k disminuye a medida que aumenta la temperatura y la capacidad calorífica específica aumenta con la temperatura.
La pendiente de la línea o curvatura de la curva que representa la relación entre el coeficiente de calor y la temperatura, medida mediante pruebas experimentales, revela cómo el coeficiente de calor del material específico cambia con la temperatura.
Por ejemplo, la variación del coeficiente térmico del acero al carbono con la temperatura se representa en el siguiente gráfico, derivado de varias fuentes de datos.
3. Fatiga térmica de los materiales.
A medida que aumenta la temperatura de los materiales dúctiles, no fallarán inmediatamente, incluso si la tensión a la que están sujetos excede el límite elástico. Sin embargo, incluso si el nivel de tensión es bajo, si se repiten cambios considerables de temperatura, eventualmente fallarán debido a la fatiga, generando grietas. Este fenómeno se conoce como fatiga térmica.
Considere una barra de prueba fijada en ambos extremos, sometida a repetidos ciclos de calor entre las temperaturas más alta y más baja, como se ilustra en el siguiente diagrama.
Supongamos que al comienzo del experimento la varilla se fija a la temperatura más alta y luego se enfría para generar tensión de tracción, OAF representa una línea de cambio de tensión. Si se recalienta, la curva tensión-deformación inicialmente se mueve paralela a OA hacia abajo, dando lugar a una tensión menor que la fuerza de tracción del ciclo de enfriamiento, y eventualmente alcanza el punto E.
Si se mantiene a la temperatura más alta durante algún tiempo, la tensión se relaja, lo que produce una disminución de la tensión de compresión, llegando al punto E'. Si se reanuda el enfriamiento, éste asciende a lo largo de E'F', alcanzando el punto F' de temperatura más baja.
Como la relajación de la presión no ocurre a la temperatura más baja, si comienza el recalentamiento, la curva desciende a lo largo de F'E”, alcanzando el punto E” a la temperatura más alta. Debido a la relajación de la tensión, la tensión se reduce y se desplaza al punto E”', si se reanuda el enfriamiento sigue la curva E”'F” llegando al punto F” a la temperatura más baja.
Si este ciclo de enfriamiento y calentamiento se repite, la curva tensión-deformación traza cada vez un bucle de histéresis, siendo la deformación plástica de recuperación asociada la causa de la fatiga térmica. Las temperaturas máximas y mínimas del ciclo térmico, la temperatura media, el tiempo de residencia a temperatura máxima, la velocidad de repetición y las propiedades elástico-plásticas del material son factores que inciden en la fatiga térmica.
La intensidad de la fatiga térmica se refiere a la relación entre la deformación plástica de un ciclo ε P y el número de repeticiones N para llegar a la falla. Según la fórmula empírica de Manson-Coffin:
Aquí, ε f denota el alargamiento en el punto de falla del material durante una prueba de tracción estática a la temperatura promedio de un ciclo térmico.
La descripción anterior sólo se refiere a la fatiga por tensión térmica unidireccional de un material. Sin embargo, la fatiga térmica en estructuras reales es multidireccional y constituye un campo de estudio especializado.
