El documento describe los principales desafíos que enfrentan los materiales cuando se exponen a altas temperaturas, incluyendo la corrosión, cambios en las propiedades mecánicas y microestructurales, y termofluencia. También explica cómo estos factores afectan la resistencia a la corrosión y las propiedades mecánicas de los materiales, y la importancia de considerar aspectos relacionados con la resistencia a la oxidación y resistencia mecánica al seleccionar materiales para altas temperaturas.

1. ESTABILIDAD METALÚRGICA Y
MECÁNICA
Prof. A. Rosales

2. A altas temperaturas el material debe soportar:
1- Los embates de la corrosión a altas
temperaturas: oxidación, sulfuración,
carburización, ataque por haluros, corrosión en
caliente, combinación de algunas o varias, etc.
2- Cambios en sus propiedades (rigidez,
resistencia, tenacidad)
3- Cambios en su microestructura, lo que afecta
su resistencia a la corrosión y sus propiedades
mecánicas (resistencia y tenacidad).
4- Termofluencia o creep.
5- En el caso de procesos cíclicos: fatiga
térmica.
La estabilidad metalúrgica y mecánica.

3. La estabilidad metalúrgica y mecánica.
Resistencia
a la CAT
Termofluencia
Cambios
Metalúrgicos
La resistencia a la CAT depende de
la formación y estabilidad de la
película de productos protectores
Se pueden consumir
elementos aleantes
formando otras fases
La deformación puede
afectar la continuidad
de la capa de productos
protectores.
Los procesos que puedan ocurrir en paralelo a la corrosion a
altas temperaturas van a afectar su comportamiento ante la CAT.

4. La termofluencia y la formación de la capa de óxido
La deformación por
termofluencia puede
producir que el óxido se
deforme y se fracture. La
reparación de la capa
protectora es posible si
no se supera una
velocidad de
deformación crítica ሶ
𝜺𝑪.
El componente
falla antes por el
efecto de la CAT.

5. El efecto de la T sobre las propiedades
Las propiedades de los materiales
varían con la temperatura. Esta
variación puede ser lineal o no-
lineal y deben ser consideradas
en el diseño de componentes.

6. EL MÓDULO DE YOUNG: EFECTO DE LA TEMPERATURA.
Variación del módulo de Young con la temperatura
Metales y aleaciones
6

7. EL MÓDULO DE YOUNG: EFECTO DE LA TEMPERATURA.
Cerámicas
Variación del módulo de Young con la temperatura
Variación con la T de
monocristal de
alúmina (corundum)
Policristales
7

8. Resistencia mecánica y la temperatura
Resistencia a la
deformación a
corto plazo de
varios
materiales. Las
líneas
segmentadas
indican
compresión en
cerámicas.

9. Resistencia mecánica y la temperatura
Efecto de la temperatura sobre la resistencia máxima a
tensión de varios metales y aleaciones.

10. Resistencia mecánica y la temperatura - Ruptura
Esfuerzo necesario para producir ruptura en 100 h para
varias aleaciones.

11. Máxima temperatura de servicio para varias aleaciones
resistentes a creep, dependiendo del esfuerzo de servicio.
Resistencia mecánica y la temperatura - Ruptura

12. Resistencia mecánica y corrosión a altas temperaturas
Capacidad relativa oxidación/esfuerzo de ruptura para
varios sistemas de aleaciones.
Entonces, al seleccionar materiales para altas temperaturas deben
considerarse aspectos relacionados con su resistencia a la oxidación y
su resistencia mecánica.

13. Desarrollo de aleaciones para altas temperaturas

14. CAMBIOS
MICROESTRUCTURALES A ALTAS
TEMPERATURAS

15. Problemas metalúrgicos a altas temperaturas:
La mayoría de los materiales metálicos y sus aleaciones
son empleados en estado metaestable. Las altas
temperaturas a las que son sometidos estos materiales
producen cambios microestructurales que van en
detrimento de las propiedades de los mismos: resistencia
mecánica, ductilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión.

16. Precipitación de otras fases en aleaciones FeCrAlMo
Estas aleaciones FeCrAlMo
con ODS (dispersión de
óxidos) son diseñadas para
aplicaciones a altas T.
Después de exponerlas a 800
C durante 90 días en una
atmósfera reductora se
fragilizaron por la formación de
carburos y fases ricas en Mo
en los bordes de grano.
Desde un punto de vista de la
CAT (oxidación y metaldusting)
es excelente, pero su ductilidad
se pierde.
M0: sin uso, M1 y M2: a 800 C por 90 dias

17. Precipitación de otras fases en aleaciones FeCrAlMo
FeCrAlMo sin exponer FeCrAlMo expuesto a
` 800 C por 90 dias
Noten que la exposición de la aleación aumenta el
tamaño de grano y produce la formación de ciertas
fases brillantes en los bordes de grano.

18. Precipitación de otras fases en aleaciones FeCrAlMo
Fase Cr Fe Mo Si Al
I 14 46 31 7 -
II 66 19 12 0.4 -
III 20.5 70 2.5 0.9 5.8
Las fases ricas en Mo y Cr, que
precipitan en los bordes de
grano, son las responsables de
la fragilizacion.

19. Problemas metalúrgicos a altas temperaturas:
Fragilización a 475 C
El fenómeno de fragilización
a 475 C restringe el uso de
los aceros inoxidables dúplex
por debajo de los 300 C,lo
cual es gobernado por
requerimientos de resistencia
al impacto, por ejemplo, que
la resistencia al impacto
Charpy esté por encima de
27 J después de 20 años de
servicio.

20. Problemas metalúrgicos a altas temperaturas:
Formación de segundas fases
Diagrama genérico TTT para la transformación en aceros
inoxidables. Los cambios microestructurales son los causantes
de la pérdida de las propiedades mecánicas y de resistencia a la
corrosión.

21. Formación de fase sigma en aceros inoxidables

22. 2 h
8 h
12 h
SAF 2205
Por la formación de fase sigma el material pierde tenacidad y
resistencia a la corrosión localizada a bajas temperaturas.
Formación de fase sigma en aceros inoxidables

23. Formación de fase sigma en aceros inoxidables
La formación de fase
sigma ha sido muy
estudiada y se
conocen
relativamente bien los
mecanismos de su
formación en aceros:
• Austeníticos
• Ferríticos
• Dúplex
Formación de fase
sigma en aceros
inoxidables
austeníticos

24. Formación de fase sigma en aceros inoxidables
Formación de fase
sigma en aceros
inoxidables
ferríticos

25. Formación de fase sigma en aceros inoxidables
Formación de fase
sigma en aceros
inoxidables dúplex

26. Formación de fase sigma en aceros inoxidables
La principal
consecuencia de la
formación de fase
sigma es la
fragilización de la
aleación.
Sin embargo, se
puede considerar que
al consumirse una
buena proporción de
Cr en su formación la
matriz se empobrece
de este elemento
esencial para su
protección contra la
corrosión a altas y
bajas temperaturas

27. Cambios microestructurales en Superaleaciones
Las super-aleaciones deben su nombre a la formación de una fase
ordenada (’) que le otorga buena resistencias mecánica a altas
temperaturas. Puede que a altas o muy altas temperaturas la
microestructura sufra cambios no convenientes.

28. Cambios microestructurales en Superaleaciones
Las propiedades de las superaleaciones depende de
la formación de distintas fases, tales como: fase ’,
carburos en la matriz y los bordes de grano,
elementos en solución sólida. La distribución de estas
fases y su proporción es importante.

29. Cambios microestructurales en Superaleaciones
Reversión de la fase ’ en la HAZ
Note como el precipitado ’
desaparece en la zona
afectada por el calor (HAZ)
debido al cambio de
temperatura mostrado como
1. Este ciclo térmico disuelve
la fase y no permite su
formación. El ciclo térmico 2
disuelve parcialmente la
fase. 3 y 4 no modifican la
microestructura.
Al cambiar la
microestructura hay una
disminución de la resistencia
mecánica (dureza), pero la
redistribución de elementos
puede afectar la resistencia
a la oxidación

30. ACEROS PARA HERRAMIENTAS
Los aceros para herramientas son aceros que deben tener
buena resistencia a altas temperaturas y buena resistencia a
la oxidación. El papel que juegan los elementos aleantes es
muy interesante en estos aceros.

31. Water Hardening Tool Steels (W)
Shock Resisting Tool Steels (S)
Cold Work Tool Steels (O, A, D)
Hot Work Tool Steels (H)
High Speed Tool Steels (T, M)
Low Alloy Tools Steels (L)
Mold Tool Steels (P)
Stainless Steel Tool Steels (3xx, 4xx)
S: strength (resistencia),
H: hardenability (templabilidad),
T: toughness (tenacidad),
HH: Hot hardness (dureza en caliente),
W: wear (desgaste),
CR: corrosion resistance (resistencia a la corrosión)
Elemento S H T HH W CR
C + + -
Cr + + - +
Mo + + + +
V + + + +
W + + - +
Co - + +
Mn + + +
Ni + + +
ACEROS PARA HERRAMIENTAS
Designación General
Efecto de los elementos
aleantes principales
Los aceros para
herramientas trabajan
bajo condiciones de
impacto, altas
temperaturas y desgaste.

32. A2 D2 O1 S1 W2
ACEROS PARA HERRAMIENTAS
Diagrama isotérmico Fe-Cr-C a 870 C
Diagrama isotérmico Fe-W-C 1200 C

33. ACEROS PARA HERRAMIENTAS
Algunos aceros para herramientas necesitan alta resistencia a altas
temperaturas. Esto lo logran gracias a elementos aleantes formadores de
carburos como el Cr, V, W y Mo (endurecimiento por precipitación) y aquellos que
endurecen por solución sólida al acero (Mn, Si, Cr, V, W y Mo).

34. ACEROS PARA HERRAMIENTAS

35. TERMOFLUENCIA

36. Comportamiento mecánico de materiales-Termofluencia
La temperatura a la cual
comienza a ser importante la
termofluencia depende de la
temperatura de fusión del
material (0,3 – 0,5 Tm)
Para el tungsteno esta
temperatura es alta, pero para el
plomo la temperatura ambiente es
suficiente para producir creep.
T > Tg para polímeros

37. Comportamiento mecánico de materiales a altas
temperaturas
Altas
T ,  Creep
Deformación Fractura
Un material bajo un esfuerzo fijo sufrirá de termofluencia, la cual consiste
en la deformación lenta del material que lo llevará eventualmente a la
fractura.

38. Termofluencia
(creep)
La curva deformación tiempo
para termofluencia muestra
tres etapas:
(a) Etapa I: comprende la
deformación elástica y la
deformación primaria.
(b) Etapa II: es la etapa de
termofluencia en estado
estacionario
(c) Etapa III: termofluencia
terciaria y ruptura.
Medición de curvas de termofluencia a
carga constante.

39. Termofluencia
(creep)
Las tres etapas de la
termofluencia.

40. Ley potencial de la Termofluencia Efecto de la temperatura sobre la
velocidad de deformación
Termofluencia (creep): efecto del esfuerzo y la
temperatura

41. Termofluencia (creep): efecto combinado
Efecto del 
Efecto de la T
Combinación de los
efectos de T y 
Esta ecuación tiene
la forma más
utilizada para
modelar la etapa II
del fenómeno de
termofluencia (creep)

42. Mapas de deformación: mapas de Ashby-Weertman
Los mapas de deformación
muestran las regiones en
donde ocurren los
diferentes mecanismos de
deformación
Si conocemos la temperatura a la cual presta servicio
el componente y el esfuerzo que soporta podemos
conocer el mecanismo y aproximadamente el orden de
magnitud de la velocidad de deformación.

43. RT
Q
q
m
e
d
T
A −






=



Termofluencia (creep): Ecuación general y los
mecanismos

44. Termofluencia (creep): Deslizamiento de bordes de
grano en la etapa III.
Deslizamiento de los bordes de grano asistido por
difusión según Ashby y Verrall

45. Termofluencia y vida útil del componente
A la final lo que
importa es el tiempo
de vida útil del
componente.
No necesariamente se
esperará a que el
componente se
fracture por lo que el
criterio puede ser:
1. Una deformación
máxima pre-
establecida
2. El tiempo de
fractura
La etapa terciaria de la termofluencia es
corta. Siempre se diseña con respecto a
la secundaria pues la primeria también es
corta.

46. Termofluencia y vida útil del componente
La termofluencia y la
corrosión a altas
temperaturas pueden actuar
de forma tal que se reduzca
el tiempo de vida útil del
componente.
Si se excede una cierta
velocidad de deformación por
termofluencia puede que se
afecte la protección que
otorga el producto de
corrosión, acelerando el
deterioro del material.

47. La difusión de vacancias (o átomos) es
un factor importante tanto para
termofluencia por flujo difusional como
por dislocaciones. Todo lo que
entorpezca estos mecanismos hará
más resistente a termofluencia a la
aleación.
Aleaciones resistentes a termofluencia.

48. Aleaciones resistentes a termofluencia.
El flujo difusional se reduce si
se hace difícil la formación de
vacancias y se impide su
difusión.
o La formación de vacancias es
más difícil mientras más fuerte
sean los enlaces en el material
(alto punto de fusión)
o La difusión se hace más difícil
mientras más compacta sea la
estructura cristalina del
material.

49. Aleaciones resistentes a termofluencia.
El tamaño de grano también afecta las propiedades de creep.
o En creep por flujo difusional, un tamaño de grano mayor hace más
largo los caminos de difusión reduciendo la velocidad de
deformación.
o La acumulación de daño (grietas) también es reducido con el uso de
granos grandes y elongados pues se reduce el esfuerzo de corte en
ellos y las grietas no pueden propagarse fácilmente.

50. Aleaciones resistentes a termofluencia.
La propagación de grietas se dificulta en el caso de una microestructura
elongada (deformación previa o solidificación direccional).

51. Aleaciones resistentes a termofluencia.
Los mecanismos que impiden el
movimiento de dislocaciones son
también importantes en dar
resistencia a creep. Pero estos
mecanismos deben resistir las
altas temperaturas.
o Se descarta el endurecimiento por refinamiento de grano
pues su asistencia al flujo difusional no es beneficioso.
o Se descarta también el endurecimiento por trabajo en frio
pues a altas temperaturas se elimina por el proceso de
recuperación

52. Aleaciones resistentes a termofluencia.
El endurecimiento por solución sólida
si es aplicable, siempre que el átomo
de soluto tenga una alta energía de
activación para la difusión (difunde
léntamente)
Soluto de alto punto de fusión (molibdeno,
tungsteno y renio), que forman enlaces
fuertes con átomos de la matriz dan
resistencia a termofluencia a super-
aleaciones base níquel (se añaden hasta en
un 10% en peso)

53. Aleaciones resistentes a termofluencia.
Otro mecanismo posible para mejorar
la resistencia creep es el de
endurecimiento por
precipitación o dispersión.
Sin embargo, este mecanismo puede
ser afectado a altas temperaturas
pues normalmente:
➢ Los precipitados son metaestables
(coherentes) y a alta temperatura
se transforman en fases más
estables (incoherentes)
➢ Crecen a altas temperatura
reduciéndose su cantidad por
unidad de volumen a tiempos
largos

54. Aleaciones resistentes a termofluencia.
En el caso de superaleaciones,
existe una fase coherente que
está en equilibrio con la matriz.
Esta se engrosa muy lentamente.
En superaleaciones base níquel, la
fase gamma prima (’) es de
particular importancia. Es una fase
ordenada.
Estas aleaciones pueden ser
utilizadas hasta 75% de su punto de
fusión.
Las fracción volumétrica de la
segunda fase puede ser de hasta
70%, confinando a las dislocaciones
a los canales entre partículas.

55. Materiales para resistir termofluencia: aleaciones y
cerámicas
Materiales resistentes a termofluencia
por dislocaciones (power-law creep):
1- Escoger materiales con alto punto de
fusión, ya que la difusión se escala con
T/Tm
2- Maximizar la obstrucción del
movimiento de dislocaciones mediante
aleación para dar endurecimiento por
solución sólida y precipitación, tanto como
sea posible de ambos. Los precipitados
deben ser estables a altas temperaturas,
por supuesto.
3- Escoger, si es posible y práctico, un
material con una gran resistencia de red al
movimiento de dislocaciones. Materiales
con enlaces covalentes como en los óxidos,
silicatos, carburo de silicio, nitruros de
55

56. Materiales para resistir termofluencia: aleaciones y
cerámicas
Materiales para resistir
termofluencia difusional:
1- Escoger materiales con alto punto de
fusión
2- Que el tamaño de grano del material
sea grande para que las distancias de
difusión también lo sean y los bordes de
grano no asistan a la difusión. Los mejores
son los monocristales.
3- Tratar que se formen precipitados en los
bordes de grano para impedir el
deslizamiento de los mismos
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57. Aleaciones resistentes a termofluencia.
Una superaleación combina varios de los mecanismos
mencionados para tener buena resistencia a la termofluencia
y además, buena resistencia a la oxidación.

58. Aleaciones resistentes a termofluencia.
Resistencia a creep. Ruptura a 100000 h a una T determinada.
La adición de elementos formadores de carburos (Cr, V) aumenta la
resistencia a termofluencia debido a que la estabilidad de estos
carburos es grande. Otros formadores de carburos (Nb, W, Mo).

59. Aleaciones resistentes a termofluencia.
El deslizamiento de los bordes de grano puede
impedirse colocando en ellos partículas discretas
(carburos, por ejemplo). En este caso, el deslizamiento del
borde de grano requiere transporte de material del lado de la
partícula bajo compresión al lado sometido a tensión,
haciendo el proceso más lento.

60. Materiales resistentes a altas temperaturas
Los materiales resistentes a altas temperaturas pueden ser
metálicos o cerámicos. Los metálicos pueden ser refractarios o
superaleaciones

61. ANEXOS

62. Materiales para resistir termofluencia:
aleaciones
Al diseñar las aleaciones se pueden trabajar bajo las
mismas condiciones de esfuerzo y temperatura, pero a
niveles de velocidad de deformación bastante por debajo,
alargando así el tiempo de vida útil del componente.

63. Fractura por Termofluencia
El tiempo de falla o ruptura tiene una
ecuación similar a la de velocidad de
deformación:
La deformación acumulada en el tiempo
terminará por fracturar al componente.

64. Fractura intergranular por termofluencia: ocurre a bajos esfuerzos por
la formación de porosidades y grietas (tipo cuñas) en los bordes de grano.
Los defectos crecen hasta que el componente fractura al no soportar la
carga. La deformación se concentra en los bordes de grano por lo que la
ductilidad global es baja y la reducción de área es pequeña.
Fractura por Termofluencia
A altas temperaturas la
fractura puede ser:
1. Intergranular (creep)
2. Transgranular (creep)
3. Ruptura (recristalización
dinámica.

65. Fractura intergranular por
Termofluencia
Acumulación de
porosidades en los
bordes de grano y
formación de
porosidades tipo cuña
(microgrietas)
Porosidades
Microgrietas tipo cuña

66. Termofluencia – Fractura intergranular

67. Fractura por Termofluencia
Fractura transgranular por termofluencia: ocurre a mayores
esfuerzos. Las porosidades se forman y crecen a través del grano. La
falla ocurre por coalescencia de micro-porosidades de forma similar
como ocurre a temperaturas ordinarias en materiales dúctiles. La
ductilidad y reducción de área son grandes

68. Ruptura a altas temperaturas
Ruptura: a altas
temperaturas y esfuerzos
opera lo que se conoce como
recristalización dinámica. La
recristalización a través del
material que experimenta
termofluencia remueve
continuamente el daño
microestructural causado.
Como consecuencia, no
nuclean porosidades y el
material se rompe después de
reducir su sección transversal
considerablemente: en un
punto (componente cilíndrico)
o en un borde afilado
(componente plano).