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.

Figura 2.14. Esquema del ensayo de fluencia


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 2.14 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 deformaciones sufridas.
El ensayo de fluencia se realiza habitualmente según el procedimiento, que se comenta a continuación, que considera el objetivo de correlacionar deformaciones, DL, y tiempos, t, para una carga, F, y temperatura, T, constantes (CREEP). Es el siguiente

3.1 PROCEDIMIENTO DE FLUENCIA (CREEP).

 a)

Marcar la longitud de la probeta con dos granetazos separados l0 mm.

 b)

Montar la probeta en las mordazas de la prensa y en el interior del horno de calentamiento.

 c)

Efectuar la elevación de temperatura hasta alcanzar la temperatura de ensayo, Te.

 d)

Elevar la carga de la prensa hasta el nivel requerido, Fi, en el que se obtiene respuesta de fluencia en el material, y mantener la carga hasta la fractura.

 e)

Registrar para cada ensayo la sucesión de los valores de las variables Fi, DL, Te y t.

 f)

Repetir el ensayo para otras combinaciones de las variables Te y Fi.

En la figura 2.15 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.

Figura 2.15. Curvas de fluencia para el acero AE235 con F = 12 KN.

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.

3.2. ENSAYO DE RELAJACIÓN DE TENSIONES
Una alternativa del ensayo de fluencia (CREEP) es cuando se investiga las correlaciones entre las tensiones y el tiempo para una temperatura y velocidad de deformación constante, DL/L0 = cte. Es el denominado ensayo de relajación de tensiones (stress relaxation). En este supuesto, el ensayo se realiza de forma similar a la fluencia, sustituyendo a partir del punto d, en la siguiente forma:

 d)

Elevar la carga de la prensa hasta el nivel requerido y variando de modo que se consiga la velocidad de deformación prefijada.

 e)

Registrar en cada ensayo los valores de las variables Fi, DL, Te, t y dl' = dDL/dt = cte.

Figura 2.16. Registro de resultados en un ensayo de relajación de tensiones.


En la figura 2.16 se describe la gráfica que correlaciona tensiones y tiempos para un determinado nivel de velocidad de deformación obtenido para el material polimérico, polietileno de alta densidad, a temperatura ambiente.

 

3.3. SOBRE EL ENSAYO DE FLUENCIA

3.3.1. Corelación tensión-deformación en fluencia.
Analizamos gráficamente la correlación entre las tensiones, s, y los alargamientos, e, para los parámetros Te constante, durante todo el proceso del 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
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 2.17.


Figura 2.17. Correlación gráfica s-e para Te indicadas

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 90° 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.

 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.


3.3.2. Aplicabilidad de la fluencia a los materiales en servivio
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.
En fluencia la aplicabilidad de los materiales en servicio exige admitir deformaciones permanentes.


3.3.3 Correlación básica en fluencia
A partir de la figura 2.18 podemos establecer las correlaciones gráficas por los cambios de variables de las expresiones 2.2 y 2.3.

Figura 2.18. Correlación e-t para cada variable si y Ti de ensayo.


En la modelización se consideran como en la cuestión anterior los 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)

erciario, 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.

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.


3.3.4.El modelo de cálculo 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.

3.3.5. La sección de fractura en fluencia.
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 como corresponde a la fractura de tipo dúctil. La fractura en fluencia es de tipo dúctil: fibrosa, gris y acompañada de alta estricción.