Las superaleaciones, o aleaciones de alto rendimiento, son aleaciones no ferrosas que exhiben una resistencia y estabilidad de superficie sobresalientes a altas temperaturas. Su capacidad para operar de manera segura a una alta fracción de su punto de fusión (hasta el 85% de sus puntos de fusión (Tm) expresados en grados Kelvin, 0,85) son sus características clave. Las superaleaciones se utilizan generalmente a temperaturas superiores a 540°C (1000°F), ya que a estas temperaturas el acero común y las aleaciones de titanio están perdiendo sus resistencias, también la corrosión es común en los aceros a esta temperatura. A altas temperaturas, las superaleaciones conservan la resistencia mecánica, la resistencia a la fluencia térmica deformación, estabilidad superficial y resistencia a la corrosión u oxidación. Algunas superaleaciones a base de níquel pueden soportar temperaturas superiores a 1200°C, dependiendo de la composición de la aleación. Las superaleaciones a menudo se moldean como un solo cristal, mientras que los límites de grano pueden proporcionar fuerza, disminuyen la resistencia a la fluencia.
Inicialmente se desarrollaron para su uso en turbocompresores de motores de pistón de aviones. Hoy en día, la aplicación más común es en componentes de turbinas de aviones, que deben resistir la exposición a ambientes severamente oxidantes y altas temperaturas durante períodos de tiempo razonables. Las aplicaciones actuales incluyen:
- Turbinas de gas para aeronaves
- Centrales eléctricas de turbinas de vapor
- Aplicaciones médicas
- Vehículos espaciales y motores de cohetes
- Equipo de tratamiento térmico
- Plantas de energía nuclear
Inconel 718 – Superaleación a base de níquel
En general, Inconel es una marca registrada de Special Metals para una familia de superaleaciones austeníticas a base de níquel-cromo. Inconel 718 es una superaleación a base de níquel que posee propiedades de alta resistencia y resistencia a temperaturas elevadas. También demuestra una protección notable contra la corrosión y la oxidación. La resistencia a altas temperaturas de Inconel se desarrolla mediante el fortalecimiento de la solución sólida o el endurecimiento por precipitación, según la aleación. Inconel 718 está compuesto de 55% de níquel, 21% de cromo, 6% de hierro y pequeñas cantidades de manganeso, carbono y cobre.
Los usos comunes de las superaleaciones se encuentran en la industria aeroespacial y en algunas otras industrias de alta tecnología. Con la combinación de resistencia a la corrosión y resistencia del material frente al calor extremo, este tipo de superaleación funciona bien en la industria nuclear. Algunas plantas nucleares utilizan superaleaciones a base de níquel para el núcleo del reactor, la varilla de control y partes similares. En la industria nuclear, se utilizan especialmente superaleaciones bajas en cobalto (debido a la posible activación del cobalto-59). Algunas de las partes estructurales de los conjuntos de combustible nuclear, como la tobera superior e inferior, pueden producirse a partir de superaleaciones como Inconel. Las rejillas espaciadoras generalmente están hechas de un material resistente a la corrosión con una sección transversal de baja absorción para los neutrones térmicos, generalmente una aleación de circonio (~0,18×10-24 cm2). La primera y última rejilla espaciadora también pueden estar hechas de Inconel con bajo contenido de cobalto, que es una superaleación muy adecuada para el servicio en entornos extremos sujetos a presión y calor.
Resistencia de las superaleaciones – Inconel 718
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas.
Resistencia a la tracción
Resistencia máxima a la tracción de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1200 MPa.
La máxima resistencia a la tracción es la máxima en la curva de ingeniería de tensión-deformación. Esto corresponde a la tensión máxima que puede ser sostenido por una estructura en tensión. La resistencia máxima a la tracción a menudo se reduce a «resistencia a la tracción» o incluso a «máxima». Si se aplica y se mantiene esta tensión, se producirá una fractura. A menudo, este valor es significativamente mayor que el límite elástico (entre un 50 y un 60 por ciento más que el rendimiento para algunos tipos de metales). Cuando un material dúctil alcanza su máxima resistencia, experimenta un estrechamiento donde el área de la sección transversal se reduce localmente. La curva de tensión-deformación no contiene una tensión mayor que la resistencia máxima. Aunque las deformaciones pueden seguir aumentando, la tensión suele disminuir después de que se ha alcanzado la resistencia máxima. Es una propiedad intensiva; por lo tanto, su valor no depende del tamaño de la muestra de prueba. Sin embargo, depende de otros factores, como la preparación de la muestra, temperatura del entorno de prueba y del material. Las resistencias a la tracción máxima varían desde 50 MPa para un aluminio hasta 3000 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Límite de elasticidad
Límite elástico de la superaleación: Inconel 718 depende del proceso de tratamiento térmico, pero es de aproximadamente 1030 MPa.
El punto de fluencia es el punto en una curva de tensión-deformación que indica el límite del comportamiento elástico y el comportamiento plástico inicial. Límite de elasticidad es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). Antes del límite elástico, el material se deformará elásticamente y volverá a su forma original cuando se elimine la tensión aplicada. Una vez que se supera el límite de fluencia, una fracción de la deformación será permanente e irreversible. Algunos aceros y otros materiales exhiben un comportamiento denominado fenómeno de límite elástico. Los límites de elasticidad varían de 35 MPa para un aluminio de baja resistencia a más de 1400 MPa para aceros de muy alta resistencia.
Módulo de Young
Módulo de Young de la superaleación: Inconel 718 es 200 GPa.
El módulo de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción. Hasta una tensión límite, un cuerpo podrá recuperar sus dimensiones al retirar la carga. Las tensiones aplicadas hacen que los átomos de un cristal se muevan desde su posición de equilibrio. Todos los átomos se desplazan en la misma cantidad y aún mantienen su geometría relativa. Cuando se eliminan las tensiones, todos los átomos vuelven a sus posiciones originales y no se produce ninguna deformación permanente. Según la ley de Hooke, la tensión es proporcional a la deformación (en la región elástica) y la pendiente es el módulo de Young. El módulo de Young es igual a la tensión longitudinal dividida por la deformación.
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