Hay dos tipos de coeficientes del material relacionados con la temperatura: uno está relacionado con las propiedades mecánicas del material y el otro con la conducción del calor. El primero incluye factores como E, G, v, a, mientras que el segundo está formado por C (capacidad calorífica específica), ρ (densidad) y k (conductividad térmica).
Estos coeficientes no son constantes, sino que varían con la temperatura. Sin embargo, cuando la temperatura no es elevada, sus valores medios suelen tratarse como constantes. En situaciones de alta temperatura o variación significativa, es esencial considerar sus cambios con la temperatura.
El módulo elástico E y el módulo de cizallamiento G de los metales disminuyen con el aumento de la temperatura, mientras que la relación de Poisson v cambia poco con la temperatura. Las mediciones de E y G con la temperatura pueden realizarse de forma estática o dinámica.
El método estático implica la realización de pruebas en un horno de alta temperatura mediante carga, mientras que el método dinámico utiliza técnicas de vibración o pulsos ultrasónicos.
El método vibracional permite someter la muestra de ensayo a vibraciones elásticas en el horno de alta temperatura, determinándose las constantes elásticas mediante la medición de la frecuencia.
El método ultrasónico consiste en aplicar ondas ultrasónicas a la muestra de ensayo, y E, G y v se determinan midiendo la velocidad de propagación de las ondas.
El coeficiente térmico de materiales metálicos presenta generalmente una relación lineal con la temperatura. El coeficiente de dilatación lineal α tiende a aumentar linealmente al aumentar la temperatura, mientras que la conductividad térmica k disminuye al aumentar la temperatura, y la capacidad calorífica específica aumenta con la temperatura.
La pendiente de la línea o la curvatura de la curva que representa la relación entre el coeficiente térmico y la temperatura, medida mediante pruebas experimentales, revela cómo cambia el coeficiente térmico del material específico con la temperatura.
Por ejemplo, la variación del coeficiente térmico del acero al carbono con la temperatura se representa en el siguiente gráfico, obtenido de diversas fuentes de datos.
Al aumentar la temperatura de los materiales dúctiles, éstos no fallarán inmediatamente aunque la tensión a la que estén sometidos supere el límite elástico. Sin embargo, aunque el nivel de tensión sea bajo, si se repiten cambios de temperatura considerables, acabarán fallando por fatiga, dando lugar a grietas. Este fenómeno se conoce como fatiga térmica.
Consideremos una varilla de ensayo fijada por ambos extremos, sometida a ciclos térmicos repetidos entre las temperaturas más alta y más baja, como se representa en el siguiente diagrama.
Supongamos que al inicio del experimento, la varilla se fija a la temperatura más alta, luego se enfría para generar un esfuerzo de tracción, OAF representa una línea de cambio de tensión. Si se recalienta, la curva tensión-deformación se desplaza inicialmente paralela a OA hacia abajo, cediendo a una tensión inferior a la fuerza de tracción del ciclo de enfriamiento, alcanzando finalmente el punto E.
Si se mantiene a la temperatura más alta durante un tiempo, se produce una relajación de la tensión que da lugar a una disminución de la tensión de compresión, alcanzando el punto E'. Si se reanuda el enfriamiento, aumenta a lo largo de E'F', alcanzando el punto F' a la temperatura más baja.
Como no se produce relajación de la presión a la temperatura más baja, si se inicia el recalentamiento, la curva cae a lo largo de F'E", alcanzando el punto E" a la temperatura más alta. Debido a la relajación de tensiones, la tensión se reduce y se desplaza al punto E"', si se reanuda el enfriamiento, sigue la curva E"'F" alcanzando el punto F" a la temperatura más baja.
Si este ciclo de enfriamiento y calentamiento se repite, la curva tensión-deformación traza cada vez un bucle de histéresis, la deformación plástica de recuperación asociada es la causa de la fatiga térmica. Las temperaturas máxima y mínima del ciclo térmico, la temperatura media, el tiempo de mantenimiento a la temperatura máxima, la velocidad de repetición y las propiedades elástico-plásticas del material son factores que afectan a la fatiga térmica.
La intensidad de la fatiga térmica se refiere a la relación entre la deformación plástica de un ciclo εP y el número de repeticiones N para alcanzar el fallo. Según la fórmula empírica de Manson-Coffin:
En este caso, εf denota el alargamiento en el punto de rotura del material durante un ensayo de tracción estática a la temperatura media de un ciclo térmico.
La descripción anterior sólo se refiere a la fatiga por tensión térmica unidireccional de un material. Sin embargo, la fatiga térmica en estructuras reales es multidireccional y constituye un campo de estudio especializado.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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