Fluencia y reblandecimiento en acero para herramientas de trabajo en caliente
Una herramienta de trabajo en caliente falla a una temperatura a la que el mismo acero estaría seguro en una aplicación de trabajo en frío, y la razón es que la propiedad que la limita ya no es el límite elástico. Por encima de aproximadamente un tercio del punto de fusión en escala absoluta, un metal se deforma con el tiempo bajo una carga que de otro modo soportaría, y la microestructura que le dio a la herramienta su dureza comienza a cambiar por sí sola. Esta página cubre la temperatura a la que la fluencia se convierte en la propiedad limitante, las etapas de la curva de fluencia y el número utilizado para estimar la vida restante, los cambios que silenciosamente eliminan la dureza de un troquel de trabajo en caliente, y en qué se diferencia una fractura por fluencia de una causada por sobrecarga.
Dónde la fluencia se convierte en la propiedad limitante
La fluencia comienza donde los átomos de la red se vuelven lo suficientemente móviles como para reordenarse bajo carga, y la regla general que da la fuente es que esto ocurre a aproximadamente un tercio a la mitad del punto de fusión medido en escala absoluta. La regla es un punto de partida más que un criterio de diseño, porque lo que importa en la práctica es la temperatura a la que la resistencia del metal queda limitada por la fluencia en lugar de por su límite elástico, y esa transición debe determinarse para cada aleación por separado. Las dos no son la misma cuestión, y para un acero pueden diferir en un margen amplio.
Para un acero para herramientas de trabajo en caliente la consecuencia es directa. En la clasificación siguiente, un acero de trabajo en caliente al cromo es un acero de baja aleación, y su temperatura de servicio en un troquel de fundición a presión o en un troquel de forja en caliente se sitúa por encima de la cifra de inicio de esa fila. La herramienta opera por lo tanto en un régimen donde la carga que puede soportar depende de cuánto tiempo la ha estado soportando, por lo que una herramienta de trabajo en caliente se especifica por su dureza en caliente y su resistencia al reblandecimiento en lugar de por un valor de tracción a temperatura ambiente.
| Metal o aleación | Temperatura de inicio de la fluencia, °C | °F | Como fracción del punto de fusión, T/TM |
|---|---|---|---|
| Aleaciones de aluminio | 150 a 200 | 300 a 400 | 0,48 a 0,54 TM |
| Aleaciones de titanio | 315 | 600 | 0,3 TM |
| Aceros de baja aleación | 370 | 700 | 0,36 TM |
| Aleaciones resistentes al calor de base hierro austenítico | 540 | 1000 | 0,49 TM |
| Aleaciones resistentes al calor de base níquel y cobalto | 650 | 1200 | 0,56 TM |
| Metales refractarios y sus aleaciones | 980 a 1540 | 1800 a 2800 | 0,4 a 0,45 TM |
La temperatura a la que la fluencia se convierte en una consideración de ingeniería para cada grupo de aleaciones, expresada tanto en grados como en fracción del punto de fusión en escala absoluta. Fuente, Tabla 1 del artículo Creep and Stress Rupture Failures.
La curva de fluencia, y el número que predice la vida
La curva de fluencia clásica tiene tres etapas. La fluencia primaria es el período de ajuste inmediatamente después de la carga, cuando la velocidad disminuye a medida que las dislocaciones se enredan y endurecen el material. La fluencia secundaria, también llamada fluencia en estado estacionario, es un equilibrio entre el endurecimiento por deformación y la recuperación, y su velocidad mínima es el número que se relaciona empíricamente con la vida a la rotura y se utiliza en trabajos de ingeniería sobre materiales resistentes a la fluencia. La fluencia terciaria es la región acelerada que termina en fractura. En muchas aleaciones comerciales resistentes a la fluencia la etapa terciaria comienza con una deformación por fluencia de 0,5 por ciento o menos, por lo que el diseño de un componente para servicio a temperatura elevada se basa en el tiempo y el alargamiento que la preceden, y la duración de la propia etapa terciaria es el margen que permite detectar una pieza que está fallando antes de que se rompa.
Dos advertencias acompañan a esos números. La deformación medida en un ensayo no es toda la deformación en la pieza, porque la deformación total a temperatura es la suma de la deformación elástica, la deformación por dilatación térmica y la deformación por fluencia, y en un análisis de falla las dos primeras no pueden omitirse. Y los datos de fluencia generalmente se recopilan bajo carga constante, donde la tensión en la sección calibrada aumenta a medida que la probeta se alarga, por lo que una vida a la rotura medida de esa manera es más corta que la que daría el mismo material bajo tensión constante. Ninguno de los dos puntos cambia la forma de la curva, pero ambos cambian la respuesta cuando la curva se lee sobre un componente real.
Qué cambia en el acero a temperatura
La microestructura de una pieza después de un período prolongado a temperatura rara vez se parece a la estructura con la que fue entregada, y para un acero de trabajo en caliente el cambio es la falla. La exposición prolongada trae precipitación de nuevas fases, disolución o crecimiento de las fases deseadas, crecimiento de grano y, bajo la influencia combinada de tensión y temperatura, cambios que un tratamiento térmico simple no puede reproducir. Un carburo que le dio al troquel su dureza en caliente se engrosa hasta una forma que ya no la proporciona. Una fase que estaba finamente dispersa se aglomera. Un carburo que debería haber permanecido dentro del grano se desplaza al borde, donde una película del mismo actúa como trayectoria de grieta.
La fuente es cuidadosa sobre un punto que importa cuando se examina una pieza sospechosa. La presencia de una fase como el sigma no prueba por sí misma que la fase causó la falla, porque la misma fase puede fortalecer, debilitar o no hacer nada según cuánta haya, dónde se ubique y qué forma tome, y porque otras fases generalmente están presentes al mismo tiempo. Una conclusión de ese tipo requiere trabajo metalográfico que separe la fase que causó la falla de las que simplemente la acompañaron, por lo que la microestructura cerca de una fractura debe compararse con la microestructura alejada de ella.
| Cambio en el acero | Qué hace | Dónde se observa |
|---|---|---|
| Sobreenvejecimiento de una matriz endurecida por precipitación | La resistencia cae porque la fase que la proporciona se engrosa y la matriz continúa envejeciendo bajo carga | Aceros ferríticos de endurecimiento secundario y otras aleaciones que endurecen por descomposición de una solución sólida sobresaturada |
| Esferoidización de carburos | Los carburos se engrosan y pierden la forma que le daba a la estructura su dureza | Cualquier acero para rodamientos con carburos mantenido en el rango de revenido durante mucho tiempo, lo que incluye todo dado de trabajo en caliente |
| Grafitización in situ | El carburo de hierro se descompone en grafito y hierro, por lo que el carbono que realizaba el endurecimiento ya no está en un carburo | Aleaciones de base hierro sin suficiente cromo para estabilizar el carburo, influyendo también el contenido de molibdeno y la práctica de desoxidación |
| Películas de carburo en los límites de grano | Reducen sustancialmente la vida a la rotura por fluencia de la aleación | Se detecta por réplica o corte en los límites de grano, no en la superficie de fractura |
| Conversión del carburo MC a M23C6 | El nuevo carburo tiende a formarse a lo largo del límite de grano, lo que desplaza el endurecimiento desde el interior del grano hacia su borde | Aceros y aleaciones resistentes al calor mantenidos a temperatura en servicio, en una secuencia específica de cada sistema de aleación |
| Fases sigma y otras fases de empaquetamiento compacto topológicamente | Los precipitados en forma de aguja reducen la tenacidad y la resistencia a la fluencia, y las fases también pueden reducir drásticamente la ductilidad al enfriar a temperatura ambiente | Aleaciones austeníticas y de alta temperatura, donde la cantidad, ubicación y forma de la fase deciden si endurece, debilita o no hace nada |
| Recristalización bajo carga | Promueve un aumento rápido de la deformación y es una de las formas en que comienza la fluencia terciaria | Generalmente se observa como granos que permanecen equiaxiales después de una gran deformación plástica, en contraste con los granos alargados de una rotura transgranular |
| Formación de óxidos y nitruros en las superficies de grieta | Puede reforzar el material al final de su vida útil al puentear grietas abiertas, lo que se manifiesta como una segunda etapa estacionaria en la curva de fluencia | Entornos de servicio oxidantes a alta temperatura |
Los cambios que la fuente enumera en un acero mantenido a temperatura bajo carga, lo que cada uno hace a la resistencia de la pieza y dónde se encuentra. Compilado a partir de la sección de inestabilidades metalúrgicas del artículo.
Cómo se ve una fractura por fluencia
Las fracturas por rotura bajo carga se caracterizan por una multiplicidad de huecos de fluencia junto a la fractura principal, y los huecos generalmente son fáciles de encontrar mediante examen óptico de microsecciones. Si la fractura parece dúctil o frágil macroscópicamente depende de la aleación, la temperatura y la velocidad de deformación, y el patrón es lo opuesto a lo que espera un taller. Velocidades de fluencia más bajas, tiempos de rotura más largos y temperaturas más altas promueven fractura intergranular con poca elongación o estricción, mientras que las fracturas transgranulares que conllevan elongación y estricción pronunciadas tienden a provenir de altas tensiones aplicadas y altas velocidades de deformación, fallando por un proceso de huecos similar a la rotura por hoyuelos de un ensayo de tracción ordinario. Las fractografías a menudo muestran ambas trayectorias a la vez, y en esos casos las fisuras intergranulares generalmente ocurrieron primero, redujeron la sección y elevaron la tensión hasta que el resto se desgarró.
La temperatura a la que cambia la trayectoria se denomina temperatura equicohesiva. Por debajo de ella, la región del límite de grano es más resistente que los granos y la fractura atraviesa los granos, y por encima de ella el límite es más débil y la fractura corre a lo largo de él. Esa temperatura no es una propiedad fija, ya que se desplaza con el tiempo de exposición y la tensión, por lo que el mismo acero puede fallar de cualquiera de las dos maneras según el servicio. Dos formas de cavidad llevan la misma información a menor escala. Las cavidades redondas que se forman a lo largo de los bordes de grano son la forma de baja tensión y tiempo prolongado, mientras que las cavidades en forma de cuña en los puntos triples de límite de grano son promovidas por el deslizamiento de límite de grano a alta tensión y menor temperatura, y dejan una superficie de fractura rugosa con precipitados de límite de grano identificables.
Para un componente que aún está en servicio, el examen debe realizarse sin cortarlo, y el método de campo que describe la fuente es la réplica superficial, que es la forma establecida de evaluar la condición de una instalación de alta temperatura a partir de su daño por fluencia. La réplica es lo que hace utilizables los niveles de daño de la siguiente tabla, porque convierte una población de cavidades en una superficie pulida en un número que puede rastrearse en inspecciones sucesivas.
Estimación de la vida restante
Se dan dos enfoques. El primero es el paramétrico, y el parámetro más utilizado es el parámetro de Larson-Miller, escrito como la temperatura en grados Rankine multiplicada por la cantidad C más el logaritmo del tiempo en horas, con el resultado escalado por una milésima. La constante C es aproximadamente 20 para un acero de baja aleación. El parámetro se utiliza para determinar la vida a la rotura restante a una tensión aplicada dada comparando la exposición en servicio con datos de laboratorio, y es la razón por la que un ensayo de fluencia puede ejecutarse durante unos pocos miles de horas y extrapolarse a una vida en servicio medida en años.
El segundo enfoque es metalográfico, y es el que da un número para una pieza que ya está en servicio. Una población de cavidades leída de una réplica se empareja con un nivel de daño, y cada nivel de daño corresponde a un rango de la fracción de vida ya consumida. El factor de vida restante se calcula entonces como el recíproco de la fracción consumida menos uno. Debido a que la misma población de cavidades se lee en cada inspección, la tendencia entre inspecciones es más informativa que cualquier lectura individual, y la parte más amplia del rango se sitúa en los niveles de daño más bajos, que es donde la estimación es menos segura.
| Nivel de daño | Fracción de vida consumida, rango X | Factor de vida restante, mínimo | Factor de vida restante, máximo |
|---|---|---|---|
| 1 | 0,00 a 0,12 | 7.33 | Desconocido |
| 2 | 0,04 a 0,46 | 1.17 | 24.00 |
| 3 | 0,30 a 0,50 | 1.00 | 2.33 |
| 4 | 0,30 a 0,84 | 0.19 | 2.33 |
| 5 | 0,72 a 1,00 | 0 equivale a fallado | 0.39 |
Nivel de daño frente a la fracción de vida ya consumida, con el factor de vida restante calculado como 1/X menos 1. Los niveles de daño se leen de la población de cavidades observada en una réplica, por lo que una pieza de nivel 1 puede dejarse como está y una pieza de nivel 5 ya ha fallado. Fuente, Tabla 3 del artículo Creep and Stress Rupture Failures.
La ductilidad a la rotura es la propiedad que decide si algo de ese tiempo de advertencia es real. Los diseños de componentes con frecuencia se basan en una deformación por fluencia del uno por ciento, y la fuente señala que en aleaciones resistentes al calor de base níquel coladas convencionalmente es común una ductilidad a la rotura bajo carga de aproximadamente uno por ciento a 760 °C, frente a valores superiores al cinco por ciento para las aleaciones forjadas más resistentes. Por lo tanto, una baja ductilidad a la rotura puede impedir que una aleación se utilice a su resistencia plena, porque la pieza se rompería antes de haberse deformado visiblemente. Cuando la cantidad de deformación no es crítica, vale la pena elegir una alta ductilidad a la rotura por una razón diferente, que es que la falla entonces llega con advertencia en lugar de sin ella. Las fallas prematuras han provenido exactamente de esa falta de ductilidad en la etapa terciaria.
Qué significa esto en un pedido de acero para herramientas
Una herramienta para trabajo en caliente se compra en función de una temperatura de servicio, y la especificación útil es la que indica lo que el acero conserva a esa temperatura y no lo que alcanza a temperatura ambiente. Vale la pena incluir cuatro puntos en la hoja. La temperatura de servicio y el tiempo a esa temperatura, porque ambos entran en la decisión y un molde que ve 600 °C durante segundos se comporta de forma distinta a uno que ve 500 °C durante horas. La temperatura de revenido, porque un molde revenido por debajo de su temperatura de servicio seguirá ablandándose en uso. La limpieza del acero y la forma en que se fabricó, ya que los cambios de fase que eliminan la resistencia en caliente son sensibles al control de la composición y a la cantidad de segregación en la barra. Y la tenacidad a temperatura, porque la grieta intergranular que termina la vida de un molde para trabajo en caliente es la que crece a lo largo de los límites donde se han acumulado las fases. Las calidades para trabajo en caliente y sus ciclos están en Tratamiento térmico del acero para herramientas de trabajo en caliente y Tratamiento térmico del acero H13, el fallo por calentamiento y enfriamiento repetidos que suele aparecer primero se trata en Aceros para herramientas resistentes a la fatiga térmica, y los datos físicos que necesita un modelo térmico están en constantes térmicas del acero para trabajo en caliente y conductividad térmica del acero para herramientas. La forma en que se mantiene la dureza en caliente a temperatura en los grados de alta velocidad está en tratamiento térmico del acero rápido, el diagrama de transformación que respalda la elección del revenido está en revenido y transformación isotérmica, y los materiales utilizados para cada componente del molde se enumeran en materiales de los componentes de moldes de fundición a presión. La fragilidad por revenido, que llega a través de los mismos límites de grano, se recopila en Tipos de fragilización en los aceros, y las causas etapa por etapa de un fallo de herramienta o molde se exponen en Análisis de fallas de herramientas y matrices.
Antes de actuar sobre una evaluación de fluencia
Una página de referencia, no es una especificación de Aobo Steel, y las temperaturas y los límites anteriores son los valores publicados para los grupos de aleaciones y componentes nombrados. El comportamiento de fluencia depende de la aleación, la tensión, la temperatura, el tiempo y el ambiente en conjunto, y las cifras de inicio son reglas prácticas de ingeniería más que límites de diseño para una herramienta en particular. Un nivel de daño leído de una réplica es una lectura de una pequeña área, y una sola inspección no puede distinguir el daño que ha crecido lentamente del daño que acaba de comenzar. Cuando un molde para trabajo en caliente se mantiene en servicio basándose en una estimación de vida remanente, la estimación debe acompañarse del intervalo de inspección del que proviene.
Fuente: ASM Handbook, Volumen 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.