1. Información general
Las estructuras de los metales y aleaciones cambian debido a fenómenos como difusión, recuperación, recristalización y otros a altas temperaturas.
Además, la exposición prolongada a altas temperaturas puede afectar el rendimiento de los materiales metálicos.
En equipos como calderas de vapor de alta presión, turbinas de vapor, motores diésel, motores aeronáuticos, equipos químicos y tuberías de alta temperatura y alta presión, muchas piezas están en servicio a altas temperaturas durante largos períodos.
No basta con considerar únicamente las propiedades mecánicas de dichos materiales a temperatura normal y carga estática a corto plazo. Por ejemplo, las tuberías de alta temperatura y alta presión en equipos químicos, aunque el esfuerzo que soportan es menor que la resistencia al flujo de los materiales a su temperatura de trabajo, sufrirán una deformación plástica continua con el tiempo, lo que aumenta gradualmente el diámetro de la tubería. tubería e incluso puede provocar su rotura.
La clasificación de temperatura "alta" o "baja" es relativa al punto de fusión del metal. A menudo se utiliza como referencia la relación entre temperatura y punto de fusión (T/Tm), donde Tm se refiere al punto de fusión del material. Si T/Tm es superior a 0,4 a 0,5, se considera temperatura alta.
La temperatura de un avión civil es de aproximadamente 1.500°C, mientras que la de un avión militar es de aproximadamente 2.000°C. La temperatura de funcionamiento local de la nave espacial puede alcanzar incluso los 2.500°C.
2. Factores que influyen
La temperatura tiene un impacto significativo en las propiedades mecánicas de los materiales. La duración de la carga a altas temperaturas también influye en gran medida en estas propiedades. Es importante tener en cuenta que las propiedades mecánicas a alta temperatura no son lo mismo que las propiedades mecánicas a temperatura ambiente.
Como tendencia general, a medida que aumenta la temperatura, la resistencia de los materiales metálicos disminuye mientras que aumenta su plasticidad. La duración de la carga también afecta a las propiedades mecánicas. Bajo cargas de corta duración, la resistencia a la tracción disminuye y la plasticidad aumenta, pero bajo cargas de larga duración, la plasticidad disminuye significativamente, la sensibilidad a las entalladuras aumenta y con frecuencia se produce una fractura frágil.
El efecto combinado de la temperatura y el tiempo también influye en la trayectoria de fractura del material. Por ejemplo, puede producirse fluencia durante el uso a largo plazo, lo que eventualmente provocará una fractura. La resistencia a la tracción del acero a altas temperaturas disminuye a medida que se prolonga la duración de la carga.
A medida que aumenta la temperatura, disminuyen tanto la resistencia del grano como la resistencia de los límites del grano. Sin embargo, la resistencia del límite de grano disminuye más rápidamente debido a la disposición irregular de los átomos en el límite de grano, lo que facilita la aparición de la difusión.
La temperatura a la que la resistencia del grano y la resistencia del límite del grano son iguales se conoce como "temperatura de resistencia igual" (TE). Cuando el material opera por encima del TE, el modo de fractura del material cambia de fractura transgranular típica a fractura intergranular.
Es importante señalar que el TE no es fijo y está influenciado por la tasa de deformación. Debido a que la resistencia del límite de grano es más sensible a la velocidad de deformación que la resistencia del grano, la TE aumenta al aumentar la velocidad de deformación.
En conclusión, para estudiar las propiedades mecánicas de materiales a altas temperaturas se deben considerar como factores tanto la temperatura como el tiempo.
3. Fenómeno de fluencia
La fluencia es la deformación plástica gradual del metal que se produce bajo temperatura y carga constantes, incluso si la tensión está por debajo del límite elástico a esa temperatura, durante un largo período de tiempo. Este tipo de fractura de material causada por deformación por fluencia se denomina fractura por fluencia.
Aunque la fluencia puede ocurrir a bajas temperaturas, sólo es significativa cuando la temperatura es superior a aproximadamente 0,3. Si la temperatura del acero al carbono excede los 300°C o la del acero aleado excede los 400°C, se debe tener en cuenta el efecto de la fluencia.
Es importante señalar que la curva de fluencia del mismo material varía con la tensión y la temperatura.
Curva de fluencia típica
La primera etapa, denominada "ab", se conoce como etapa de desaceleración de fluencia o etapa de transición de fluencia. La tasa de fluencia al inicio de esta etapa es muy alta y disminuye gradualmente con el tiempo hasta alcanzar su mínimo en el punto “b”.
La segunda etapa, denominada "bc", se conoce como etapa de fluencia de velocidad constante o etapa de fluencia de estado estable. Esta etapa se caracteriza por una tasa de fluencia relativamente constante. La velocidad de fluencia de un metal generalmente se expresa mediante la velocidad de fluencia ε durante esta etapa.
La tercera etapa es la etapa de fluencia acelerada. A medida que pasa el tiempo, la velocidad de fluencia aumenta gradualmente hasta que se produce la fractura por fluencia en el punto "d".
Cambiar el diagrama de la curva de fluencia con diferentes tensiones y temperaturas.
Como se ilustra en la figura, cuando la tensión es baja o la temperatura es baja, la segunda etapa de fluencia dura un tiempo considerable y, en algunos casos, la tercera etapa puede no ocurrir en absoluto. Por otro lado, cuando la tensión es alta o la temperatura es alta, la segunda etapa de fluencia es muy breve o puede no ocurrir en absoluto, lo que resulta en que la muestra se rompa en un tiempo muy corto.
4. Características de la superficie de fractura por fluencia
Macrocaracterísticas de la superficie de fractura.
La deformación plástica ocurre cerca de la superficie de la fractura y existen numerosas grietas en las proximidades del área deformada (estas grietas se pueden ver en la superficie de la parte fracturada). En casos de oxidación a alta temperatura, la superficie de fractura se recubre con una capa de película de óxido.
Microcaracterísticas de la superficie de fractura.
Morfología de fractura intergranular de patrones similares a cristales de azúcar.
5. Índice y medición del desempeño
El límite de fluencia, la resistencia a la rotura, la estabilidad de relajación y otras propiedades mecánicas se utilizan comúnmente para evaluar el comportamiento de fluencia de los materiales.
5.1 Límite de fluencia
El límite de fluencia es una medida de la resistencia de un material metálico a la deformación plástica bajo cargas prolongadas a altas temperaturas y es un factor crucial en la selección y diseño de componentes de servicio a alta temperatura.
Hay dos formas de expresar el límite de fluencia en MPa: una es determinar la tensión máxima que la muestra puede soportar a una velocidad de fluencia constante especificada dentro de un tiempo y temperatura específicos; el otro es determinar la tensión máxima que hace que la muestra experimente un alargamiento por fluencia específico dentro de un tiempo y temperatura específicos.
El ejemplo 1 muestra que el límite de fluencia del material es 80 MPa cuando la temperatura es 500 ℃ y la velocidad de fluencia constante es 1× 10-5 %/h;
El ejemplo 2 muestra que el límite de fluencia del material es 100 MPa cuando la temperatura es de 500 ℃, 100.000 horas y el alargamiento por fluencia es del 1%.
Equipo de prueba de fluencia y diagrama esquemático
Las pruebas de fluencia se deben realizar en condiciones de temperatura consistentes y una variedad de niveles de tensión, con un mínimo de 4 curvas de fluencia registradas.
Las curvas de fluencia deben crearse en función de los resultados registrados, donde la pendiente de la línea recta en la curva representa la tasa de fluencia.
La curva de relación se traza en coordenadas logarítmicas utilizando los datos de tasa de fluencia de tensión obtenidos.
Al aplicar niveles de tensión relativamente altos, se pueden generar múltiples curvas de fluencia con tiempos de prueba relativamente cortos. El valor de tensión para una velocidad de fluencia específica se puede determinar mediante la interpolación o extrapolación de la velocidad de fluencia medida, lo que permite determinar el límite de fluencia.
A una temperatura constante, existe una relación empírica lineal entre la tensión de fluencia de la segunda etapa (σ) y la velocidad de fluencia en estado estacionario (ε) en coordenadas logarítmicas dobles.
Curva σ- ε de la aleación S-590
(20,0%Cr, 19,4%Ni, 19,3%Co, 4,0%W, 4,0%Nb, 3,8%Mo, 1,35%Mn, 0,43%C)
5.2 Fuerza de resistencia
La resistencia duradera se refiere a la capacidad de un material para resistir la fractura durante un largo período de tiempo bajo cargas de alta temperatura. Es la tensión máxima que un material puede soportar sin sufrir fractura por fluencia en unas condiciones específicas de temperatura y tiempo. La resistencia duradera es una medida de la resistencia de un material a la fractura, mientras que el límite de fluencia se refiere a su resistencia a la deformación.
Para algunos materiales y componentes, la deformación por fluencia es mínima y su único requisito es no romperse durante su vida útil (como el tubo de vapor sobrecalentado de una caldera). En estos casos, la resistencia mecánica es el principal criterio utilizado para evaluar la idoneidad del material o componente para su uso.
Curva de resistencia a la rotura por tensión de la aleación S-590.
La resistencia de los materiales metálicos se determina mediante la prueba de resistencia a la tracción a alta temperatura.
Durante el proceso de prueba, no es necesario medir el alargamiento de la muestra siempre que se registre el tiempo que tarda en fracturarse bajo una temperatura y un nivel de tensión específicos.
Para los componentes de máquinas con una vida útil prolongada (decenas de miles a cientos de miles de horas o más), es un desafío realizar pruebas a largo plazo, por lo que los datos generalmente se generan utilizando altos niveles de tensión y tiempos de fractura cortos. A continuación se calcula la resistencia de los materiales mediante extrapolación.
Extrapolar la fórmula empírica:
(tiempo de fractura t, tensión σ, constantes A, B relacionadas con la temperatura y el material de prueba)
Toma el logaritmo de la fórmula anterior para obtener:
Tome log t-log σ Fig., la relación lineal se puede extrapolar de los datos con un tiempo de fractura corto a la resistencia duradera con un tiempo prolongado.
5.3 Tensión residual
Cuando se someten a una deformación constante, la tensión elástica de los materiales disminuye gradualmente con el tiempo, lo que se conoce como relajación de tensiones.
La resistencia de los materiales metálicos a la relajación de tensiones se denomina estabilidad de relajación y se puede determinar mediante pruebas de relajación de tensiones midiendo la curva de relajación de tensiones.
La tensión residual es una métrica utilizada para evaluar la estabilidad de relajación de materiales metálicos. Cuanto mayor sea la tensión residual, mejor será la temperatura de relajación.
Curva de relajación del estrés
Etapa 1: el estrés disminuye rápidamente al principio;
Etapa 2: etapa en la que la caída del estrés disminuye gradualmente;
Límite de relajación: bajo ciertas tensiones y temperaturas iniciales, la tensión residual no continuará relajándose.
5.4 Factores que influyen en las propiedades mecánicas a altas temperaturas
Para aumentar el límite de fluencia, es importante controlar la velocidad de aumento de la dislocación en función de la deformación por fluencia y el mecanismo de fractura.
Para mejorar la resistencia a la rotura, es necesario controlar el deslizamiento de los límites de grano y la difusión de vacantes.
Varios factores pueden afectar las propiedades mecánicas a alta temperatura, incluida la composición química, el proceso de fundición, el proceso de tratamiento térmico y el tamaño del grano.
Influencia de la composición química de la aleación.
Los materiales base para aceros y aleaciones resistentes al calor generalmente consisten en metales y aleaciones con altos puntos de fusión, alta energía de activación de autodifusión o baja energía de falla de apilamiento.
Los metales con puntos de fusión más altos, como el cromo (Cr), el tungsteno (W), el molibdeno (Mo) y el niobio (Nb), tienen velocidades de autodifusión más lentas.
La baja energía de la falla de apilamiento hace que sea más fácil que se formen dislocaciones extendidas y que sea más difícil que las dislocaciones se deslicen y se eleven.
La fase dispersa puede bloquear eficazmente el deslizamiento y el ascenso de la dislocación.
La adición de elementos como el boro y las tierras raras, que aumentan la energía de activación de la difusión de los límites de grano, no solo dificulta el deslizamiento de los límites de grano, sino que también aumenta la energía superficial de las grietas de los límites de grano.
Los materiales resistentes al calor con estructuras cúbicas centradas en las caras tienen mayor resistencia a las altas temperaturas en comparación con aquellos con estructuras cúbicas centradas en el cuerpo.
Influencia del proceso de casting.
Revisado:
Es importante reducir el contenido de inclusiones y defectos metalúrgicos.
Cuando se utiliza la solidificación direccional, se reduce el número de límites de grano transversales, lo que conduce a una mejora en la resistencia a la rotura, ya que es más probable que se formen grietas en los límites de grano transversales.
Influencia del proceso de tratamiento térmico.
El acero perlítico resistente al calor suele pasar por un proceso de normalización seguido de un templado a alta temperatura.
La temperatura de templado debe ser de 100 a 150 grados Celsius más alta que la temperatura de servicio para aumentar la estabilidad estructural en condiciones de operación.
El acero resistente al calor o las aleaciones austeníticas generalmente se tratan mediante disolución y envejecimiento para lograr el tamaño de grano adecuado y mejorar la distribución de las fases de refuerzo.
El tratamiento termomecánico puede aumentar aún más la resistencia de la aleación cambiando la forma de los límites de los granos (formando estrías) y creando límites de subgranos poligonales dentro del grano.
Efecto del tamaño de grano
Tamaño de grano: cuando la temperatura de funcionamiento está por debajo de la temperatura de resistencia constante, el acero de grano fino tiene mayor resistencia, mientras que cuando la temperatura de funcionamiento excede la temperatura de resistencia constante, el acero de grano grueso tiene mayor resistencia a la fluencia y tenacidad.
Tamaño de grano irregular: cuando la tensión se concentra en la unión entre los granos grandes y pequeños, es más probable que se formen grietas que provoquen fracturas prematuras.
