Unidad 2. Indicadores de Propiedades Resistentes
3- Ensayo de Fluencia
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Ensayo de Fluencia
Se define que un material trabaja a fluencia, comportamiento viscoelástico, cuando experimenta alargamientos crecientes en función del tiempo, aún para cargas aplicadas constantes. Los ensayos de fluencia se realizan para analizar las características resistentes de los materiales en las condiciones que muestran un comportamiento viscoelástico.

El comportamiento viscoelástico es característico de materiales plásticos a temperatura, incluida la ambiente; y también materiales metálicos en ciertos rangos de temperaturas. El equipo de ensayo es, en consecuencia, una máquina de ensayos de tracción provista de un horno, contenedor de la probeta, con control de la temperatura de ensayo. La figura 2.13 indica el esquema del ensayo.

Como en el ensayo de tracción, deben registrarse las deformaciones, DL, medidas sobre la probeta, y además los tiempos transcurridos, te, en correspondencia con las defor-maciones sufridas.

El ensayo de fluencia se realiza habitualmente con el objetivo de correlacionar las deformaciones, DL, y los tiempos, t, para una carga, F, y temperatura, T, constantes (CREEP).

En la figura 2.14 se representan los registros de los parámetros DL función del tiempo de ensayo, para cada carga de ensayo constante, Fi, y temperatura de ensayo igualmente constante, Ti. 
Se utiliza como probetas, las especificadas en el ensayo de tracción, acero AE235, con una longitud inicial L0 = 200 mm, sometida a la temperatura Ti.

a)                                          b) 
Figura 2.13. a) Equipo de fluencia. 
b) Esquema del ensayo de fluencia.

 

Figura 2.14. Curvas de fluencia para el acero AE235 con F = 12 KN.

 
3.1 CORRELACIÓN TENSIÓN-DEFORMACIÓN EN FLUENCIA

Si analizamos gráficamente la correlación entre las tensiones, s, y los alargamientos, e, para los parámetros Te constante, durante todo el ensayo y comparamos con la correlación obtenida F-DL en el ensayo de tracción anterior podemos establecer la correlación gráfica s - e haciendo uso de las expresiones 2.2 y 2.3 del ensayo de tracción, es decir:

s = F / S0 = 1200 / 78.5 = 16 Kg/mm2
e = DL/L0 100 = 0.5 DL %

lo que significa una deformación creciente continuamente con valores máximos:

ea = 0.5 x 23 = 11.5 %                   eb = 0.5 x 40 = 20 %                        ec = 0.5 x 56 = 28 %

Con estas expresiones de cambio de variable pasamos a los diagramas s - e representados en la figura 2.15.
La comparación cualitativa con los diagramas s - e del ensayo de tracción, nos permite observar:

a) El arranque de la curva a partir del s =0 prácticamente es de 90o cuando en el ensayo de tracción existe una pendiente E = s / e, módulo de elasticidad, dando una respuesta lineal. 

En fluencia no existe periodo elástico.


Figura 2.15. Correlación gráfica s - e para Te indicadas
b) A partir de la subida brusca, las tensiones permanecen invariantes para cada nivel de temperaturas, zona plana del diagrama, registrándose alargamientos crecientes en el tiempo. En el diagrama de tracción, en el denominado periodo plástico, las tensiones, s, crecían con los alargamientos, e, lo que era manifestación de un proceso de endurecimiento. 

En fluencia están inhibidos los procesos de endurecimiento. El periodo denominado secundario muestra invarianza de las tensiones requeridas para proseguir el proceso de deformación con gradiente constante.

c) A partir de los puntos señalados en la figura, aparece la irreversibilidad del proceso pues la carga F requerida para seguir la fluencia es menor. Se debe, como en el caso del ensayo de tracción, a la localización de la fluencia en un punto con la disminución en mayor grado de la sección resistente hasta producirse la rotura. 

El punto b de inflexión, como el m del ensayo de tracción, indica el inicio de la ruina total de la probeta. Es el periodo terciario.

La posibilidad de aplicar materiales a servicios con temperaturas en que se muestre la fluencia implica admitir deformaciones permanentes e que serán crecientes por el tiempo de servicio de la pieza, pues al no disponer de periodo elástico no podemos aplicarlos a temperaturas de fluencia bajo las hipótesis de elasticidad, modelos elásticos. Esto es especialmente importante a temperaturas cercanas a la ambiental para los plásticos.

En fluencia la aplicabilidad de los materiales en servicio exige admitir deformaciones permanentes.

La sección fracturada se sitúa en una zona de alta estricción con una sección que se ha reducido fuertemente, en mayor grado cuando sus temperaturas son mayores. La morfología es fibrosa y grisácea, en los materiales metálicos, como corresponde a la fractura de tipo dúctil. 

La fractura en fluencia es de tipo dúctil: fibrosa, gris y acompañada de alta estricción.

A partir de la figura 2.16 podemos establecer las correlaciones gráficas por los cambios de variables de las expresiones 2.2 y 2.3.

En la modelización se consideran tres periodos:

a) Primario o transitorio, 0-a. En éste el gradiente de alargamientos es muy alto con corta extensión del periodo. No es interesante como aplicación industrial su modelización.

b) Secundario, a-b. En este periodo las deformaciones mantienen una cierta linealidad con los tiempos de ensayo. Se establece:

 de / dlnt = a                 (2.26)

El modelo genérico al integrar la expresión 2.26 es:

 e = e0i + a ln t                (2.27)

siendo e0i y a, función del material, de la temperatura de ensayo, Te, y de la tensión de ensayo, s.

c) Terciario, b-c. Este periodo es irreversible hasta la fractura, luego no puede interesarnos mas que la definición del punto b, punto que indica la máxima deformación estable, em, que es capaz de soportar el material.


Figura 2.16. Correlación e-t para cada variable si y Ti de ensayo.
En el proceso de fluencia, la mayor importancia sucede en el periodo denominado secundario, caracterizado por la correlación lineal entre las deformaciones y los tiempos, o sus logaritmos.

3.2 EL MODELO DE CALCULO EN FLUENCIA

Como ya se ha citado, sólo puede obtenerse aplicabilidad de la resistencia a fluencia cuando se admite el servicio de las piezas con deformaciones permanentes. Sin embargo, el diseño puede o debe imponer una limitación a las deformaciones permanentes que pueda tomar la pieza, emax, las que obviamente deben ser inferiores a las máximas del periodo secundario em.

Desde aquí el diseño define el tiempo máximo de servicio, tms, que la pieza puede estar en la máquina, despejando de la expresión 2.27.

 ln tms = (emax - e0i)/a                      (2.28)

para las condiciones de s y Te que determinan el valor de e0i y a.

En resumen, las bases del diseño en fluencia son:

. Diseñar admitiendo deformaciones permanentes.
. Imponer una limitación a las deformaciones permanentes, emax.
. Seleccionar la tensión óptima, para la temperatura de servicio; lo que nos identifica e0 y a.
. Calcular el tiempo de servicio de acuerdo con la expresión 2.28.

El plan de mantenimiento de una pieza que trabaja a fluencia, debe especificar claramente las horas de servicio para proceder a su reposición.


 
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