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INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA A LA FATIGA.

Trabajo realizado por el Ing. Ricardo Mario Amé

Enero a abril del 2002.

RESUMEN

Es interesante analizar el avance del conocimiento a lo largo de los años con respecto a la influencia de la temperatura en el comportamiento a fatiga de los materiales.

Debemos diferenciar:

a)                            influencia de la temperatura sobre las características mecánicas de los materiales en su uso estático.

b)                            influencia de la temperatura en la resistencia de los materiales a los esfuerzos de fatiga.

c)                            influencia de la variación cíclica y rápida de la temperatura en el efecto de fatiga térmica.

En éste trabajo nos limitaremos a revisar lo escrito por diferentes autores en lo que se refiere a la influencia de la temperatura, ya sea alta o baja respecto de la normal ambiente, sobre la resistencia a fatiga de los metales.

Utilizaremos como referencia bibliográfica el trabajo de P.G. Forrest, “Fatiga de los Metales” de la Editorial URMO, 1982.

Existe abundante información en cuanto a la variación de las características mecánicas de los metales frente a las altas y a las bajas temperaturas, pero no tanta con respecto a la influencia de ella sobre la resistencia a fatiga.

Incluso en la mayoría de los libros de elementos de máquinas, se trata el tema de la temperatura y su influencia sobre las características mecánicas y muy pocos lo hacen con respecto a la influencia en la resistencia a la fatiga.

RESISTENCIA A FATIGA EN TEMPERATURAS BAJAS

Existen muchos procesos industriales en los cuales se trabaja con temperaturas muy por debajo de los 0°C.

En la industria aeronáutica también el diseño de elementos de máquinas es importante desde el punto de vista de las bajas temperaturas, sobre todo por debajo de los –80°C.

Casi sin excepción las resistencias a la fatiga de piezas tanto lisas como con entalla aumentan al disminuir la temperatura.

V.M.Faires en “Diseño de elementos de máquinas”, editado en 1970 y reimpreso en castellano de 1977, indica que en general todos los aceros presentan un aumento en la resistencia a la fatiga con la disminución de la temperatura, pero en aquellos aceros aleados que no contienen níquel pierden casi totalmente su tenacidad y se hacen más sensibles a las entallas.

En la tabla I se ha resumido los datos disponibles acerca de las resistencias a la fatiga a temperaturas bajas, promediando los resultados disponibles para cada clase de material.

Téngase en consideración que la variación de una aleación a otra puede ser importante de forma que los resultados de la tabla solamente indican una tendencia general en el comportamiento a fatiga a temperaturas bajas.

Puede verse en la tabla I (P.G.Forrest, ya citado) que las resistencias a la fatiga son, en general, significativamente más elevadas a –40°C y –78°C que a la temperatura ambiente y apreciablemente más elevadas en el período de –186°C a –196°C.

El aumento proporcional de la resistencia a la fatiga con la disminución de la temperatura es mucho mayor para los materiales blandos que para los duros y es particularmente notable para los aceros suaves.

La resistencia a la tracción también aumenta al descender la temperatura pero normalmente no en la misma proporción que la resistencia a la fatiga.

Puede verse en los resultados en probetas con entalla citados en la tabla I que el aumento de la resistencia a la fatiga a temperaturas bajas es menor cuando se encuentran presente concentraciones de esfuerzos, en otras palabras, los metales son normalmente más sensibles a las entallas a temperaturas bajas.

Se han efectuado trabajos (McCammon y Rosemberg) en los cuales se ha demostrado que las resistencias a la fatiga de muchos metales continúan aumentando al disminuir la temperatura al menos por debajo de los –269°C .

El hierro y el cinc son las excepciones a este comportamiento, pero ambos están expuestos a una rotura frágil y la resistencia a la tracción de cada uno de ellos disminuye, también, a temperaturas más bajas.


Tabla I

Comparación de las resistencia a fatiga de algunos materiales respecto de su comportamiento a temperatura ambiente

Material

A

B

C

-40°C

-78°C

-186°C

a

–196°C

-78°C

-186°C

a

-196°C

a

temperat.

ambiente

-40°C

-78°C

-186°C

a

–196°C

aceros al carbono

1,2

1,3

2,57

1,1

1,47

0,43

0,47

0,45

0,67

aceros aleados

1,06

1,13

1,61

1,06

1,23

0,48

0,51

0,48

0,58

aceros aleados colados

 

1,22

 

1,05

 

0,27

 

0,27

 

aceros inoxidables

1,15

1,21

1,54

   

0,52

0,5

0,57

0,59

aleaciones de aluminio

1,14

1,16

1,69

 

1,35

0,42

 

0,46

0,59

aleaciones de titanio

 

1,11

1,4

1,22

1,41

0,7

 

0,63

0,54

A indica el valor promedio de la relación:

B indica el valor promedio de la relación:

C indica el valor promedio de la relación:


FATIGA A TEMPERATURAS ALTAS.

Sabemos que la resistencia de los materiales se modifica con la temperatura, y si se mantiene durante un tiempo prolongado, sobrevienen cambios en su estructura que afectan su resistencia y otras características mecánicas.

Además, a altas temperaturas debe considerarse la deformación gradual o escurrimiento conocido como creep.

El efecto de las temperaturas altas, por debajo de la temperatura crítica (721°C), mantenidas en forma prolongada, produce sobre la estructura cristalina de un metal un recocido de globulización que modifica sus características mecánicas.

En los textos de elementos de máquinas y de materiales, pueden verse curvas de alargamiento en función de la tensión y las horas a las cuales se mantiene dicha tensión con temperatura elevada constante. (“Cálculo de elementos de máquinas” de Vallance y Doughtie, del año 1959). Estas indican que, aparentemente, el escurrimiento cesa a temperaturas y tensiones bajas.

En “Proyecto de elementos de máquinas” de Spotts, en su edición en castellano del año 1976 también puede recabarse abundante información, respecto de diferentes materiales y la variación de sus características mecánicas frente a las temperaturas elevadas.

A temperaturas elevadas el factor restrictivo en el diseño es normalmente la resistencia estática, pero la resistencia a la fatiga es un factor importante a considerar en el diseño de máquinas, en particular cuando están combinados esfuerzos estáticos y alternativos.

A temperaturas elevadas, la aplicación de una carga estática a un metal produce una deformación continua o fluencia viscosa, que puede eventualmente conducir a la rotura si dicha carga se mantiene durante un tiempo suficiente.

La resistencia a la rotura por fluencia viscosa, que es el esfuerzo que un metal puede soportar durante un tiempo dado sin rotura, disminuye rápidamente al aumentar la temperatura, a valores que pueden ser considerablemente inferiores a los de la resistencia a la fatiga.

En consecuencia, el primer requerimiento de los metales a temperaturas elevadas es que deben soportar cargas estáticas y que las aleaciones resistentes al calor se han desarrollado, primordialmente, para que tengan resistencias a la fluencia viscosa elevadas. Afortunadamente se ha encontrado que estas aleaciones, con buena resistencia a la fluencia viscosa, son también resistentes a la fatiga, aunque los requisitos para que una aleación tenga una resistencia a la fluencia máxima no son necesariamente los mismos para que tenga una resistencia a la fatiga máxima.

Los rasgos característicos de las fracturas por fatiga, normalmente con pequeña o ninguna deformación, se manifiestan en todo el margen de temperaturas comprendidos por debajo de su punto de fusión. en las que puede trabajar una pieza.

Los resultados de los ensayos de fatiga indican que existe una relación similar duración-esfuerzos para todas las temperaturas, aunque a temperaturas elevadas existe rara vez un límite de fatiga y la rampa descendente de la curva es normalmente más empinada que a la temperatura ambiente.

Joseph Edward Shigley en su libro “El proyecto en Ingeniería Mecánica” del año 1965, indica que el coeficiente de modificación por efecto de la temperatura alta debe obtenerse a partir de un programa de ensayos.

En V.M.Faires, en su libro “Diseño de elementos de máquinas” del año 1970 ya indicado, puede leerse que el aumento de la temperatura por lo general reduce la resistencia a la fatiga, con excepción de los aceros al carbono y los de baja aleación. Este grupo de materiales muestra un incremento en la resistencia a la fatiga entre los 20°C a los 316°C para luego reducirse.

Siguiendo al mismo autor, éste indica que la disminución de la resistencia a la fatiga con el aumento de la temperatura es proporcionalmente menor que la resistencia máxima, observándose que los puntos indicativos de la falla en temperatura elevada, llevados a un diagrama σaσm quedan fuera de la recta de Soderberg, e incluso fuera de la parábola de Goodman. Esto indica, siguiendo a Faires, que la ecuación de dimensionamiento dada por Soderberg es útil, incluso a altas temperaturas.

Si la temperatura es de tal magnitud que implica el escurrimiento o creep, Faires aconseja modificar el diagrama σaσm trazando una recta desde el esfuerzo estático que contemple una deformación por escurrimiento de seguridad, hasta la tensión límite alternativa a la temperatura de servicio. (Lo cual implica conocerla o haber efectuado la serie de ensayos que proponía Shigley).

Con respecto a los efectos de concentración de tensiones, la sensibilidad de entalla a temperaturas elevadas no coincide con la de temperatura ambiente, observándose que aquella disminuye.

En el año 1977 Joseph E. Shigley edita su libro en inglés (luego traducido al castellano y editado por McGraw Hill de México) “Diseño en Ingeniería Mecánica”, en el cual, en el tratamiento de los factores que modifican el límite de resistencia a la fatiga, plantea los efectos de la temperatura. En éste texto, el autor aconseja efectuar ensayos y aconseja aplicar el factor por temperatura en ambos extremos del diagrama σ-N, e indica que “como factor de temperatura para los aceros se usa el valor...”

En la cual T es la temperatura de trabajo expresada en °F. Según el autor esta ecuación es válida para temperaturas superiores a los 160°F (71°C), de lo contrario se utiliza kd=1. Obsérvese que ésta relación matemática indica una tendencia a la disminución continua de la resistencia a la fatiga a partir de dicha temperatura. No obstante, en la figura mostrada más adelante, veremos que para algunos aceros la resistencia se mantiene constante hasta los 400°C, en el caso del SAE 4340, o bien tiene una importante suba hasta los 350°C en el caso del acero al carbono con 0,17% de C.

Nuevamente Joseph Edward Shigley, ahora conjuntamente con Larry D. Mitchell en “Diseño en Ingeniería Mecánica”, trata el tema. Este libro fue editado en el año 1983, por lo que contiene información más actualizada respecto del tema que la que éste mismo autor presentara en sus libros ya mencionados.

En ese sentido, los autores indican que probablemente no existe un valor específico de tensión límite para los casos de piezas sometidas a tensiones variables a altas temperaturas. Es decir no existe el quiebre de la recta en el diagrama σ-N. que conocemos para los ensayos a temperatura ambiente. En su exposición del tema remite al autor Forrest y presenta un gráfico de variación de la resistencia en función de la temperatura para dos aceros y un aluminio. Finalmente aconseja que el factor de temperatura debe ser aplicado en ambos extremos del diagrama σ-N, debido a que la resistencia a fatiga se reduce igualmente en 103 ciclos que en 106, tal como lo aconsejaba Faires.

En la figura 110 (P.G.Forrest, ya citado) se indica la relación existente entre la resistencia a la fatiga y la temperatura de diversos materiales empleados a temperaturas elevadas. La resistencia a la fatiga se basa en la falla que tiene lugar a unos 107 ciclos; todos los ensayos se hicieron por flexión.

P.G.Forrest, en la tabla 84 de su obra indica más datos sobre una gran cantidad de materiales especiales. (en éste trabajo no se muestra dicha tabla)

Los aceros al carbono presentan un comportamiento a la fatiga extraño a temperatura elevada.

A partir de un valor mínimo de unos 100°C, la resistencia a la fatiga aumenta al elevar la temperatura, hasta un 40%, con el valor máximo a unos 350°C, sin embargo, al aumentar más la temperatura, decrece rápidamente. La resistencia a la tracción estática presenta también un aumento al elevar la temperatura, pero de magnitud más pequeña, con una resistencia máxima a unos 250°C.

Este comportamiento es atribuido al efecto de consolidación del envejecimiento por deformación.

La fundición se comporta de una manera similar, pero el efecto es más pequeño o no existe en los aceros aleados.

Los aceros aleados para uso a temperaturas elevadas se han desarrollado, en primer lugar, para evitar la fluencia viscosa.

A este efecto se encontró que el elemento de aleación más eficaz es el molibdeno, y se consigue, además, cierta mejora con pequeñas adiciones de cromo o vanadio. Las aleaciones de este tipo conservan una resistencia la fatiga apreciable hasta 600°C.

Los aceros ferríticos muy aleados que contengan más del 10% de cromo, aunque más débiles a temperaturas bajas, son más resistentes que los aceros de baja aleación por encima de los 600°C.

Las resistencias de los aceros aleados templados y revenidos decrece rápidamente a medida que la temperatura de servicio se aproxima a la temperatura de revenido.

Para su empleo por encima de 400 a 450°C, se encuentra normalmente que los aceros en estado normalizado, tienen una resistencia a la fluencia superior, aunque a temperaturas más bajas son inferiores a los aceros templados y revenido.

Para temperaturas por encima de los 600°C los aceros austeníticos (con Cr y Ni) son superiores a los aceros ferríticos (sin Ni) tanto en lo que respecta a sus propiedades mecánicas como a la resistencia a la oxidación. Los aceros austeníticos para su empleo a temperaturas elevadas consisten en una aleación que contiene 18 a 20% de cromo y 8 a 12% de níquel con una pequeña adición de titanio o niobio para anular la precipitación del carburo de cromo. (Recuérdese que a una temperatura de entre 500 y 900°C se produce la precipitación hacia los bordes de grano de los carburos de cromo). Una aleación de este tipo presenta una resistencia a la fatiga de unos 2015 Kg/cm2 a 650°C, mientras que algunas de las aleaciones más complejas que se han desarrollado presentan aproximadamente esa resistencia a 750°C.

A temperaturas por encima de los 750°C las aleaciones de hierro son reemplazadas por aleaciones cuyo elemento fundamental es el níquel, como ejemplo se encuentra la serie Nimonic, o por aleaciones cuyo elemento fundamental es el cobalto, que se han desarrollado principalmente en los EE.UU.

El Nimonic 75 que se emplea, por ejemplo, en forma de chapa para los tubos de llama de las turbinas de gas, es básicamente una aleación de 80% de Ni, y 20% de Cr endurecida por la precipitación del carburo de titanio.

La resistencia a temperatura elevada aumenta progresivamente en el siguiente orden: Nimonic 80 y 80-A (20% de Cr con adiciones de Ti y Al), Nimonic 90 (20% Cr, 18% Co, Ti y Al) y Nimonic 105 (15% Cr, 20%Co, Ti, Al y Mo).

Las aleaciones de cobalto no se forjan fácilmente y se emplean más a menudo en el estado de colada. Las aleaciones empleadas para aplicaciones a temperatura elevada contienen normalmente un 25% de Cr con adiciones de Ni y Mo o W. Las aleaciones para ser empleadas a temperaturas aún más elevadas están todavía en un período experimental y están constituidas de Cr, Mo, W o Nb o de materiales cerámicos o mezclas de éstos y aquellos, conocidos como cerametales.

Si se comparan las resistencias a la fatiga a temperaturas elevadas con otras propiedades mecánicas se observa que, como a la temperatura ambiente, la resistencia a la fatiga está completa e íntimamente relacionada con la resistencia a la tracción, a menos que la temperatura sea tan alta que la resistencia a la tracción esté apreciablemente afectada por la fluencia viscosa.

Por ejemplo, según los datos disponibles para las aleaciones de aluminio forjado, la relación del límite de la fatiga a la resistencia de rotura por tracción, es aproximadamente independiente de la temperatura hasta 250°C; para que ocurra una falla a los 107 ciclos el valor medio es de 0,35 y para 108 ciclos de 0,25. Por encima de los 300°C la relación anterior aumenta rápidamente, aproximándose a 1 a 450°C.

Aunque la relación de la resistencia a la fatiga a la resistencia a la rotura por fluencia viscosa depende notablemente de la temperatura, para algunos materiales se obtiene una correlación íntima entre las dos, simplemente representando la resistencia a la fatiga alternante frente a la resistencia a la rotura por fluencia viscosa para que tenga lugar la falla al mismo tiempo y a la misma temperatura.

Forrest muestra en la figura 111 de su obra la relación anterior para la serie Nimonic de aleaciones para temperaturas entre 700 y 980°C y tiempos para fallar de 100, 300 y 1000 horas. El grado de concordancia es lo suficientemente notable para muchas de estas aleaciones como para permitir la predicción de la resistencia a la fatiga a partir de los resultados de rotura por fluencia

Materiales no ferrosos:

A la resistencia a la fatiga de las aleaciones de aluminio no le afecta mucho la temperatura hasta los 100 o 150°C, pero a temperaturas más elevadas disminuye muy rápidamente; las aleaciones retienen poca resistencia por encima de los 350°C.

La resistencia de las aleaciones de aluminio de elevada resistencia depende del endurecimiento por precipitación; y el beneficio de éste tratamiento se pierde cuando la temperatura es lo suficientemente elevada como para que la precipitación continúe durante el servicio y se produzca un sobre envejecimiento.

Por lo tanto la mejor resistencia a la fatiga y a la fluencia a temperaturas elevadas se presenta para aquellas aleaciones que mejor resisten al sobre envejecimiento a la temperatura de trabajo.

Las aleaciones de aluminio-cinc-magnesio que estén sometidas a un tratamiento de disolución a unos 465°C y envejecidas a unos 130°C, son menos resistentes a temperaturas elevadas que las aleaciones de aluminio-cobre que estén sometidas a un tratamiento de disolución a unos 510°C y envejecidas a unos 175°C.

Las propiedades a temperatura elevada de las aleaciones aluminio-cobre pueden mejorarse añadiendo magnesio y níquel, como en la aleación Y, una de las primeras aleaciones de aluminio desarrolladas.

Las aleaciones de alumnio-silicio presentan también, relativamente, unas buenas propiedades mecánicas a temperaturas elevadas.

Sin embargo para temperaturas por encima de unos 300°C, la fluencia y la resistencia a la fatiga de todas las aleaciones de aluminio convencionales se encuentran rebasadas por las del polvo de aluminio sinterizado. Este es un producto de la metalurgia de polvos, fabricado compactando láminas de aluminio, recubrimientos con óxido de aluminio; su resistencia se consigue a partir de las partículas insolubles que permanecen estables hasta el punto de fusión.

Las resistencias a la fatiga de las aleaciones de aluminio coladas son considerablemente menores que las de las aleaciones forjadas, a temperatura ambiente, pero las diferencias tienden a desaparecer al aumentar la temperatura.

El comportamiento de las aleaciones de magnesio a temperaturas elevadas es similar al de las aleaciones de aluminio; el sobre envejecimiento puede tener lugar durante el servicio y da por resultado una disminución en las resistencias a la fluencia y a la fatiga.

Las aleaciones de magnesio-aluminio-cinc de elevada resistencia pierden ésta rápidamente al aumentar la temperatura y son menos resistentes tanto a la fatiga como a la fluencia por encima de 200°C, que las aleaciones de magnesio-manganeso.

Puede obtenerse una mejora considerable en las propiedades a temperaturas elevadas por la adición de circonio y de uno de los elementos de las tierras raras, cerio o torio.

La resistencia a la fatiga de las aleaciones de magnesio colada es inferior a la de las aleaciones forjadas de composiciones similares a todas las temperaturas, aunque la resistencia a la fluencia es más elevada para las aleaciones coladas por encima de los 200°C.

La resistencia de las aleaciones de titanio es comparable con la de los aceros aleados a temperaturas hasta 500°C, con la ventaja de una densidad solamente un poco más de la mitad que la del acero. Por lo tanto en el margen de temperaturas de 250 a 500°C, las aleaciones de titanio pueden emplearse con ventajas para aplicaciones donde sean requeridas unas relaciones más elevadas entre la resistencia y el peso.

INFLUENCIA DE LA ESTRUCTURA METALOGRÁFICA

La resistencia a temperaturas elevadas se alcanza a menudo por un endurecimiento por precipitación.

Esto se logra con un tratamiento del material a una temperatura lo suficientemente elevada como para que el componente duro se disuelva, a continuación se templa y luego se vuelve a calentar o a envejecer a una temperatura a la cual precipite el componente duro en una forma finamente dividida.

Tanto el tratamiento de disolución como el de envejecimiento tienen una influencia importante sobre las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas.

El tratamiento de disolución es importante porque tiene influencia en el tamaño de grano.

A temperaturas moderadas un tamaño de grano fino produce una resistencia a la fluencia más elevada que un tamaño de grano grande, pero esto se invierte a temperaturas elevadas porque los bordes de grano llegan a ser más débiles que los granos. Esto se demuestra por el aspecto de las superficies de fractura de los materiales que han fallado debido a la fluencia, las fisuras a temperaturas moderadas son transgranulares, mientras que a temperaturas elevadas son intergranulares.

La resistencia a la fatiga se encuentra influenciada de una manera similar por el tamaño de grano, pero el cambio de la fisura transgranular a intergranular tiene lugar a una temperatura considerablemente más elevada bajo fatiga que bajo fluencia. En consecuencia existe un margen de temperaturas, que es de importancia práctica, para el que un tamaño de grano grande produce una resistencia a la fluencia más elevada, pero una resistencia a la fatiga más baja.

En estas circunstancias puede ser ventajoso variar el tratamiento térmico para ajustarse a las condiciones de los esfuerzos.

La influencia del tratamiento de envejecimiento sobre la resistencia a la fatiga a temperatura elevada ha recibido poca atención.

Existen pruebas de que los esfuerzos fluctuantes aceleran el envejecimiento en las aleaciones de aluminio a temperatura ambiente y que pueden tener un efecto similar en otros materiales a temperaturas elevadas. En tal caso es posible que las resistencias mejores a la fatiga se alcanzarán por tratamiento de envejecimiento.

La resistencia a la fatiga a temperatura elevada de las aleaciones coladas son casi siempre más bajas que las de las aleaciones forjadas de composición similar. A este respecto el comportamiento frente a la fatiga difiere del de la fluencia, pues la resistencia a la fluencia de las aleaciones coladas es a menudo superior a las forjadas cuando la temperatura es muy alta. Una de las razones para esto es que el tamaño de grano es a menudo mucho mayor en los materiales colados y si se tiene cuidado para producir coladas de grano fino las resistencias a la fatiga se mejoran. Una desventaja del material colado es la variabilidad en las propiedades mecánicas y esto es más señalado en la fatiga. Por ejemplo, Harris y Chil investigaron esto con la aleación a base de cobalto G34 a 750°C y encontraron una variación de +/- 15% en la resistencia a la rotura por fluencia y aproximadamente de +/- 30% en la resistencia a la fatiga.


BIBLIOGRAFÍA CONSULTADA

- P.G.Forrest. Fatiga de los metales. Ed. Urmo.1982.

-         V.M.Faires. Diseño de elementos de máquinas.

-         J.E.Shigley y L.D.Mitchell. Diseño en ingeniería mecánica.

-         M.F.Spotts. Proyecto de elementos de máquinas. Ed. Reverté SA.1976

AGRADECIMIENTOS

Ricardo M. Amé agradece muy sinceramente a los Srs. Silvio Zalcman y Jorge Cabrera, responsables del Laboratorio de Ensayo de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Lomas de Zamora, por la revisión y los comentarios efectuados a éste trabajo.

Del mismo modo debe reconocer la voluntad puesta de manifiesto para revisar el texto por parte del Ing. Sergio Laufgang, profesor de Metalurgia y Soldadura de la misma unidad académica.