Édgar Espejo Mora - Análisis de fallas de estructuras y elementos mecánicos

Fuente: elaboración propia.

Si por encima de la temperatura equicohesiva, la formación de microvacíos en los límites de grano se concentra en puntos de intersección de tres granos, se les llama microvacíos del tipo cuña, por su forma típica, siendo consecuencia especialmente del deslizamiento entre granos; los microvacíos también se pueden formar entre dos granos, llamándoseles en este caso microvacíos del tipo redondeado, los cuales se forman principalmente por la difusión de átomos y vacancias. La formación de los microvacíos del tipo cuña es común, cuando se apliquen altos valores de esfuerzo y se tengan temperaturas no tan elevadas (pero superiores a la equicohesiva), donde predomina el deslizamiento entre los cristales. Estos microvacíos pueden iniciar su formación a partir del clivaje de partículas de segunda fase, ubicadas en los límites de grano. La formación de los microvacíos del tipo redondeado es común cuando se apliquen bajas velocidades de deformación y altas temperaturas, lo que favorece la difusión de vacancias en los límites de grano. A esfuerzos bajos estos microvacíos se pueden formar en el interior de los granos, en las interfaces de la matriz con partículas de segunda fase. Los microvacíos también pueden ser consecuencia de diferencias en las ratas de deformación interna entre granos adyacentes. A la formación de microvacíos en límites de grano por termofluencia se le suele denominar cavitación por termofluencia.

Algunas de las transformaciones microestructurales más comunes que se pueden dar a alta temperatura son, a saber: (1) precipitación de nuevas fases, por ejemplo, la sensibilización de aceros inoxidables, donde se precipitan en límites de grano carburos de cromo; (2) crecimiento de fases, debido, por ejemplo, al sobreenvejecimiento; (3) disolución de fases, como disolución de inclusiones, carburos, etcétera; (4) crecimiento de grano; (5) recristalización, donde granos deformados previos a la termofluencia o generados en esta se regeneran; (6) oxidación de las superficies por el contacto con atmósferas oxidantes a alta temperatura; (7) fragilización a alta temperatura, producto de la difusión a límites de grano de elementos químicos fragilizantes, como el fósforo, el azufre, el cobre, el arsénico, el antimonio y el estaño para el caso de los aceros, lo cual está relacionado con el mecanismo de fragilización dinámica (véase numeral 3.14).

En aceros ferrito perlíticos o ferrito bainíticos (muy usados en tuberías para calderas), los cambios microestructurales más comunes a alta temperatura, que desembocan en una reducción de la resistencia a la termofluencia (disminución de la vida de servicio y/o aumento de la velocidad de deformación y/o merma en la capacidad de carga), son los siguientes: (a) esferoidización y embastecimiento de los carburos de la perlita y de la bainita, lo cual facilita el movimiento de las dislocaciones; (b) grafitización, donde el carburo de hierro se descompone parcialmente para formar grafito, lo cual facilita el movimiento de las dislocaciones y además concentra el esfuerzo alrededor de los nódulos grafíticos. La adición de cromo a los aceros retarda la posibilidad de grafitizar, y la estructura ferrito-bainítica muestra una mayor resistencia a la esferoidización que la ferrito-perlítica. Los aceros ferrito-bainíticos o perlíticos al cromo molibdeno, y los aceros inoxidables austeníticos muestran alta resistencia a la termofluencia, comparada con la de otros tipos de aceros (baja velocidad de deformación y mayor tolerancia al daño por agrietamiento).

En algunos aceros y aleaciones de níquel, la presencia de ciertos tipos de carburos y de ciertas morfologías incrementan la resistencia a la fluencia lenta. En las aleaciones de níquel para alta temperatura (álabes de turbinas), se logran bajas ratas de deformación por termofluencia mediante: (1) precipitación masiva de la fase en el interior de los granos, la cual limita el movimiento de las dislocaciones disminuyendo el efecto viscoso; (2) precipitación de carburos en límites de grano, los cuales disminuyen el deslizamiento entre los granos; y (3) se buscan tamaños de grano gruesos, con lo cual queda menor área de límites de grano, sobre la cual se pueda presentar deslizamiento y formación de microvacíos. En general, por encima de la temperatura equicohesiva, los metales de grano grueso serán más resistentes a la termofluencia que los de grano fino. En las lecturas [ 10- 11] se podrá encontrar un tratamiento más profundo de la termofluencia.

2.2.4.2 Análisis de piezas deformadas por termofluencia

Una pieza se deformará plásticamente por termofluencia cuando: (1) se opere a una temperatura tal, que por recuperación térmica se contrarreste el endurecimiento por deformación; (2) exista una carga constante en el tiempo —también puede ser variable, en cuyo caso se habla de fatiga termomecánica (véase numeral 3.16)—; y (3) se da el tiempo suficiente para que se manifieste un determinado nivel de deformación.

A simple vista, las piezas con deformación plástica por termofluencia mostrarán distorsión permanente producto de la deformación, y si la pieza llegó hasta las etapas finales de la termofluencia secundaria o hasta la termofluencia terciaria, se podrán apreciar agrietamientos o zonas de inestabilidad plástica (acuellamientos) ( figura 2.23). En la mayoría de aplicaciones a alta temperatura, las piezas fallan cuando sobrepasan un valor máximo de deformación verdadera admisible, la cual puede ser tan baja como del 1 %; una deformación así no se detecta fácilmente por inspección visual, sino que debe recurrirse al estudio metrológico para ello. Una deformación plástica localizada por termofluencia se puede deber a una distribución no homogénea de esfuerzo (concentradores), o a una distribución no homogénea de temperaturas, lo cual puede ocurrir en motores térmicos o calderas. Cuando la distribución de esfuerzos y temperaturas es uniforme, se presentará deformación plástica generalizada en todas las zonas de la pieza.

Figura 2.23 Deformación plástica por termofluencia

Nota. Tubo de caldera acuatubular hecho de acero de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que mostró aumento de diámetro por termofluencia (izquierda); deformación plástica por termofluencia localizada en un tubo similar, en zona orientada hacia el hogar de la caldera, donde la temperatura es mayor (derecha).

Fuente: elaboración propia.

Al inspeccionar las piezas deformadas por termofluencia en secciones metalográficas, será posible detectar: (a) la formación de microvacíos ( figura 2.24, superior izquierda) y (b) los cambios microestructurales que se hayan dado ( figura 2.24, superior derecha). En las etapas finales de la termofluencia secundaria y en la termofluencia terciaria se podrá notar cómo los microvacíos en límites de grano empiezan a coalescer y a alinearse formando grietas, que son perpendiculares al esfuerzo máximo de tracción local ( figura 2.24, inferior). Debido a la recuperación térmica y a la recristalización, no es común notar que los granos se encuentren alargados en el sentido de la deformación; sin embargo, si la temperatura fue inferior a la equicohesiva y el esfuerzo o la velocidad de deformación fueron muy altos, se podrá hacer que predomine el deslizamiento interno dentro de los granos como mecanismo de falla, con lo cual los granos sí se podrán ver alargados ante inspección metalográfica.

Figura 2.24 Secciones metalográficas de tubos de caldera de aceros de bajo carbono y baja aleación al cromo-molibdeno, que experimentaron daño por termofluencia