Temperaturas Extremas : ¿Cuál es el impacto en los materiales metálicos?

Un meteorito que impactó en la Tierra hace 35 millones de años produjo lo que se cree que fue la temperatura más elevada generada de forma natural en nuestro planeta, hasta la fecha. Los científicos estiman que con este impacto extraterrestre se alcanzó una temperatura de 2.370 ºC, que es aproximadamente la mitad del calor que desprende la superficie solar.

En el lado opuesto de la escala, la temperatura más baja registrada a nivel del suelo se remonta al 21 de julio de 1983, en la Estación soviética Vostok en la Antártida: -89,2 ºC.

VALORES PRÓXIMOS AL "CERO ABSOLUTO"

Mientras que las temperaturas mencionadas en la página anterior se alcanzaron de forma natural, las temperaturas a las que se exponen los metales en las aplicaciones industriales a veces alcanzan estos rangos, lo que supone retos significativos. Tomemos como ejemplo un reactor: Estos pueden alcanzar temperaturas de 900 ºC, mientras que los hornos industriales pueden llegar a 1.200 ºC. En el extremo opuesto de la escala, la criogenia puede suponer la exposición a temperaturas de -196 ºC, e incluso -269 ºC. Si recordamos lo aprendido en física en el instituto, este es un valor muy próximo al "cero absoluto": -273 ºC; la temperatura mínima medida cuando la sustancia no contiene calor, pues el frío técnicamente no existe.

Por lo tanto, al diseñar equipos para cualquier aplicación que implique temperaturas muy bajas o altas, o grandes fluctuaciones térmicas, es esencial tener en cuenta los efectos de estas temperaturas en los metales empleados. Existen múltiples aplicaciones de tornillos y elementos de fijación que se ven expuestas a temperaturas extremas.

La ciencia de la metalurgia estudia el comportamiento de diferentes metales en amplios rangos de temperatura, y también cómo metales o combinaciones de metales concretos pueden ayudar a mitigar posibles efectos negativos. Así, el acero y otras aleaciones de metales se pueden adaptar para cumplir con los requisitos de una aplicación sujeta a temperaturas extremas.

LOS RETOS QUE PLANTEAN LAS BAJAS TEMPERATURAS

Los principales efectos adversos que plantean las bajas temperaturas son la pérdida de ductilidad (la capacidad de someterse a una deformación plástica antes de su rotura) y el aumento de fragilidad del material cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de transición dúctil–frágil, DBTT.

"Un material dúctil primero se deforma y después se rompe, mientras que un material frágil es muy probable que se rompa de inmediato cuando la carga excede su límite elástico", explica Alexandre Fleurentin, experto en metalurgia y tratamientos térmicos y superficiales, además de fundador de la empresa Métallo Corner en Francia.

A medida que la temperatura disminuye, muchos materiales pasan de ser dúctiles a frágiles a la temperatura de transición dúctil–frágil. Obviamente, la rotura puede presentar consecuencias más negativas que la deformación, y a temperaturas muy bajas el acero por lo general tiende a ser más sensible a los impactos, con mayor riesgo de rotura ante un golpe y/o curvatura repentinos. Esta característica está próxima a la resiliencia y se evalúa en los ensayos de impacto.

Por otro lado, una temperatura más baja con frecuencia supone un aumento de la resistencia a la tracción mecánica de un metal y menor elongación a la rotura. Para mantener una elevada resistencia mecánica y lograr un material menos frágil, se prefiere el acero inoxidable austenítico con un alto contenido de níquel y nitrógeno.

LAS TEMPERATURAS ALTAS SON INCLUSO MÁS COMPLEJAS

Cuando las temperaturas son extremadamente altas, existen ciertos fenómenos reversibles, mientras que otros son permanentes. Los reversibles que retoman su estado previo cuando la temperatura retoma lo considerado como normal, incluyen una pérdida temporal de la resistencia a la tracción mecánica y cambios de ductilidad.

Respecto a los fenómenos permanentes, los procesos de tratamiento térmico y envejecimiento se producen a temperaturas elevadas y pueden ocasionar un templado excesivo que reduce la resistencia a la fatiga. Por lo tanto, la temperatura de servicio debe mantenerse por debajo de la temperatura de recocido o templado del acero.

Con el acero inoxidable, las temperaturas altas pueden provocar una pérdida o disminución de la capa de pasivación protectora, de modo que en estos casos el diseñador debe considerar factores ambientales como la humedad y ciertos elementos de la atmósfera. "Incluso los fluidos, que impactan directamente en el rendimiento del metal, pueden verse afectados", indica Fleurentin. "Por ejemplo, cuando la temperatura es alta algunos lubricantes como el disulfuro de molibdeno (MoS2) cambian sus propiedades y pierden completamente su capacidad de lubricación (MoS2 se convierte en MoS3 = trisulfuro de molibdeno), lo que puede ser problemático".

EL DESLIZAMIENTO Y LA RELAJACIÓN TAMBIÉN SE ACTIVAN POR EFECTO DEL CALOR

El importante, y a menudo perjudicial, fenómeno de deslizamiento y relajación también se puede desencadenar a temperaturas elevadas. El deslizamiento ocurre cuando un material se deforma lenta y permanentemente debido a una tensión mecánica constante, incluso aunque sea por debajo del límite elástico del material. La relajación ocurre cuando el material, aunque se haya cargado inicialmente por debajo de su límite elástico, libera tensión al exponerse a una deformación fija y transforma parte de dicha deformación elástica en deformación plástica.

El deslizamiento y la relajación en los metales ocurren con más frecuencia si se someten a temperaturas elevadas, incluso antes de que las cargas o deformaciones excedan el límite elástico del material. La extensión del deslizamiento o la relajación depende de la presión ejercida, la temperatura existente y el tiempo de exposición. Este fenómeno se puede activar a unos 200 ºC en el caso del acero, e incluso a 100 ºC en aleaciones más ligeras o acero inoxidable. Para lograr aplicaciones que respondan a estos retos, los diseñadores suelen optar por alecciones resistentes al deslizamiento basadas en níquel o cobalto. Recuerde que el deslizamiento y la relajación modifican de forma permanente las piezas en términos de deformación o liberación de presión.

EL COEFICIENTE DE EXPANSIÓN TÉRMICA VARÍA CON RANGOS DE TEMPERATURA MÁS AMPLIOS

Otro resultado de las temperaturas extremas es que un material se expande o contrae en proporción a la temperatura, por cuestiones físicas. Es decir, si la temperatura aumenta en una estructura de acero, los átomos aumentan su vibración. Dicha agitación térmica, a su vez, genera un aumento en la distancia interatómica lo que produce la expansión del material.

Dicha dilatación que surge al aumentar la temperatura se denomina "coeficiente de expansión térmica lineal" (CTE, por sus siglas en inglés) y normalmente corresponde a 20 ºC en varios materiales. Por lo general suele ser constante en un rango de temperatura concreto, digamos que entre 0 ºC y 100 ºC. No obstante, el Sr. Fleurentin indica que "el CTE de un material concreto no siempre es constante ante un rango amplio de temperaturas extremas, por lo que normalmente se actualiza cada 100 ºC".

"Además del hecho de que el CTE puede variar con la temperatura, el diseñador también debe considerar el envejecimiento y los cambios en las propiedades del material con el paso del tiempo y su uso. Ambas cuestiones son de gran importancia en cualquier tipo de equipo, así como en una solución de empernado o en elementos de fijación, que se exponen a temperaturas extremas".