Durante la termofluencia primaria el material experimenta una alta velocidad de deformación dε/dt, donde paulatinamente esta irá disminuyendo, en la medida en que el endurecimiento por deformación contrarreste parcialmente el efecto viscoso. El endurecimiento por deformación no logra eliminar la deformación plástica del todo, debido a la recuperación térmica, por ello, se alcanza un punto de equilibrio donde la velocidad de deformación permanece constante y en un valor mínimo, lo cual caracteriza a la termofluencia secundaria. En la termofluencia terciaria la velocidad de deformación vuelve a aumentar, como consecuencia de una inestabilidad plástica (acuellamiento de la pieza), y/o porque el efecto viscoso y la recuperación térmica empiezan a primar sobre el endurecimiento por deformación, acelerándose el proceso hasta la fractura del elemento.
Figura 2.20 Curva típica del comportamiento de la deformación contra el tiempo, para una aleación en régimen de termofluencia
Nota. ε0: es la deformación elástica inicial; la zona I de la gráfica se conoce como termofluencia primaria; la zona II se denomina termofluencia secundaria, y se caracteriza por tener una rata de deformación constante que es la menor de todo el proceso; la zona III se denomina termofluencia terciaria.
Fuente: elaboración propia.
No todas las aleaciones ni en todas las situaciones de carga-temperatura se presentará una curva de termofluencia como la mostrada en la figura 2.20, por ejemplo: 1) a elevados esfuerzos y temperaturas puede que no se presente la termofluencia primaria, o incluso se puede tener solo la termofluencia terciaria, debido al fuerte predominio del efecto viscoso y la recuperación térmica sobre el endurecimiento por deformación (figura 2.21); 2) la termofluencia terciaria puede no aparecer cuando el elemento por su área o inercia no genere fácilmente una zona de acuellamiento o inestabilidad plástica; también puede no presentarse cuando el esfuerzo y la temperatura sean bajos (figura 2.21); 3) algunos materiales muy dúctiles al mostrar baja capacidad de endurecimiento por deformación podrán tener curvas de termofluencia, donde la velocidad de deformación estará en continuo incremento; 4) materiales que presenten cambios microestructurales a las temperaturas de termofluencia, como precipitación de nuevas fases, cambios en tamaños de grano, embastecimiento de precipitados, etcétera, podrán presentar gráficos con varios cambios de pendiente o velocidades de deformación, ya que algunas estructuras serán más o menos resistentes a la termofluencia que otras.
En ensayos de termofluencia es común definir dos medidas de ductilidad, una es la elongación verdadera al final de la termofluencia secundaria y la otra es la elongación total a fractura. La ductilidad verdadera es preferida a la ductilidad total, porque está menos influenciada por microvacíos, grietas o inestabilidades plásticas (acuellamientos). Las piezas fundidas presentan datos de ductilidad más dispersos que las piezas forjadas, derivado de la mayor presencia de discontinuidades e inhomogeneidades. Piezas que trabajan a altas temperaturas, como partes de motores térmicos, se diseñan para que su tiempo de servicio coincida con una deformación verdadera máxima admisible, la cual puede ser por ejemplo del 1 %; esta deformación máxima debe coincidir con el final de la termofluencia secundaria, de forma que el factor de seguridad en vida de servicio abarque al menos la termofluencia terciaria.
Figura 2.21 Influencia general del nivel de esfuerzo o de la temperatura para una aleación metálica
Nota. Diagrama que muestra la influencia general del nivel de esfuerzo o de la temperatura para una aleación metálica en la forma de las curvas de termofluencia, en las velocidades de deformación, en el tiempo a fractura y en la deformación a fractura.
Fuente: elaboración propia.
2.2.4.1 Mecanismos de la distorsión por fluencia lenta en metales
La temperatura a partir de la cual el fenómeno de la termofluencia se vuelve importante en metales cambia de una aleación a otra, estando generalmente entre un 30 y 50 % de la temperatura de fusión absoluta del material (tabla 2.5). El fenómeno de la termofluencia en las aleaciones se activa cuando la energía térmica asociada con la temperatura del material es lo suficientemente grande para darle a los átomos un mínimo de movilidad que les permita contrarrestar los fenómenos del endurecimiento por deformación (recuperación térmica), facilitándose así el comportamiento viscoso (deformación plástica a esfuerzo constante). El comportamiento viscoso se vuelve predominante al darse entre otros fenómenos: (a) un mayor número de sistemas de deslizamiento dentro de los granos; (b) el trepado de las dislocaciones alrededor de los obstáculos; (c) mayor difusividad de átomos y vacancias dentro del material, que faciliten la neutralización del exceso de dislocaciones generadas; (d) activación del deslizamiento entre los granos.
Tabla 2.5 Temperaturas típicas de inicio del fenómeno de la termofluencia para varias familias de aleaciones metálicas [9]
| Material | Temperatura en oC |
| Aleaciones de aluminio | 150-200 (0,48-0,54 TF) |
| Aleaciones de titanio | 315 (0,3 TF) |
| Aceros de baja aleación | 370 (0,36 TF) |
| Aceros inoxidables austeníticos y refractarios | 540 (0,49 TF) |
| Aleaciones base níquel o cobalto resistentes al calor | 650 (0,56 TF) |
| Aleaciones refractarias | 980-1540 (0,4-0,45 TF) |
Nota: TF es la temperatura de fusión absoluta de la aleación.
Dentro del fenómeno de la termofluencia en metales, existe una temperatura importante que se conoce como temperatura equicohesiva, y corresponde a la temperatura donde la aleación muestra la misma resistencia en límites de grano y en el interior de estos (de ahí su nombre). Por debajo de esta temperatura los metales exhiben una mayor resistencia en los límites de grano, mientras que, a mayores temperaturas de la equicohesiva, la resistencia del interior de los granos será mayor. Como consecuencia de lo anterior, si la termofluencia se da a una temperatura mayor de la equicohesiva, en el material se fomentará la formación de microvacíos en los límites de grano, producto del deslizamiento entre estos y la difusión de vacancias, lo que llevará en últimas a fracturas intergranulares por fluencia lenta; mientras que por debajo de esta temperatura predominarán fracturas transgranulares dúctiles, es decir, por formación y coalescencia de microvacíos intragranulares. La temperatura equicohesiva será alta, cuando se tengan esfuerzos bajos y tiempos de exposición bajos, y será baja para tiempos de exposición prolongados y altos esfuerzos.
Las variables más importantes que influyen en la termofluencia son, a saber: (a) la aleación, ya que existen aleaciones más resistentes que otras, es decir, pueden tener mayores tiempos de fractura, y/o mayor capacidad de soportar esfuerzos, y/o menor velocidad de deformación, además de ser más resistentes a experimentar transformaciones microestructurales a la temperatura de trabajo; (b) la temperatura, teniéndose que entre más alta sea esta, se obtendrá una mayor velocidad de deformación, mayor deformación total y menor tiempo de vida