¿En qué condiciones será más significativo el fenómeno de fluencia de los resortes de torsión de acero inoxidable?

La fluencia es la deformación plástica lenta y permanente de un material sólido bajo tensión constante a lo largo del tiempo. Para resortes de torsión de acero inoxidable , la fluencia se manifiesta como una disminución gradual en el par de restauración (técnicamente conocido como relajación de la tensión bajo deflexión constante) o un aumento continuo en el ángulo de deflexión bajo carga constante. Este fenómeno afecta directamente a la precisión y fiabilidad del resorte a largo plazo. Desde una perspectiva profesional, la aparición significativa de fluencia en los resortes de torsión de acero inoxidable está influenciada principalmente por los efectos sinérgicos de los siguientes tres factores integrados.

1. Efecto de la temperatura crítica

La temperatura es el factor principal que determina si se producirá una fluencia significativa. Si bien la fluencia teóricamente ocurre a cualquier temperatura, su velocidad solo afecta materialmente las aplicaciones de ingeniería una vez que excede un umbral específico.

Correlación del punto de fusión: la teoría tradicional de los materiales metálicos sugiere que la fluencia normalmente se vuelve significativa alrededor de 0,4 Tm​ por encima de la temperatura de fusión absoluta del material. Los aceros inoxidables (como los de la serie 300) tienen un punto de fusión más alto, pero debido a que el alambre del resorte está sometido a una gran tensión, la temperatura real a la que se produce la fluencia es mucho menor.

Temperatura de servicio del acero inoxidable: en términos generales, la temperatura de servicio máxima recomendada para un resorte de torsión para aceros inoxidables austeníticos estándar (como SUS 304 o 302) es de aproximadamente 250 °C a 300 °C.

Cuando la temperatura de trabajo es inferior a 100 °C, la velocidad de fluencia es extremadamente baja y puede ignorarse.

Cuando la temperatura de trabajo excede los 150 °C, especialmente en el rango de 200 °C a 300 °C, la energía térmica activa el movimiento de dislocación y la difusión de vacantes dentro del acero inoxidable, lo que acelera la deformación plástica y hace que la fluencia se vuelva perceptible.

2. El efecto catalítico de los altos niveles de estrés

En las mismas condiciones de temperatura, los niveles de tensión aplicados son la principal fuerza impulsora que acelera la fluencia. Para los resortes de torsión, esta tensión se refiere específicamente a la tensión de flexión.

Estrés y límite elástico: la fluencia es única porque ocurre a niveles de tensión muy por debajo del límite elástico del material. Sin embargo, cuanto más se acerque la tensión al límite elástico, mayor será la velocidad de fluencia.

Diseño de resorte: al diseñar un resorte de torsión, si la tensión máxima de trabajo excede un porcentaje crítico del límite proporcional del material de acero inoxidable (por ejemplo, 60% o 70%), la fluencia puede acumularse durante un período prolongado, generando una inestabilidad dimensional significativa, incluso a temperatura ambiente. La tensión elevada proporciona la energía de activación necesaria para superar la resistencia de la red, acelerando la aparición de fluencia por dislocación.

Relajación del estrés: en aplicaciones de deflexión constante, un estrés elevado conduce directamente a una relajación del estrés acelerada. Esta relajación finalmente se manifiesta como una pérdida de torsión, que es la razón principal por la que el resorte no puede mantener su función prevista.

3. Duración de carga sostenida

La fluencia es una deformación típica dependiente del tiempo. Cuanto más tiempo permanezca el resorte bajo carga, mayor será la tensión de fluencia acumulada.

Tres etapas de fluencia: el proceso de fluencia generalmente se divide en tres etapas:

Fluencia primaria: la tasa de deformación disminuye gradualmente. Esta es la etapa dominada por el endurecimiento por deformación cuando se carga el resorte por primera vez.

Fluencia secundaria: la tasa de deformación permanece esencialmente constante. Esta es una etapa de equilibrio entre endurecimiento y ablandamiento (es decir, recuperación) y representa la mayor parte de la vida útil del resorte.

Creep terciario: la tasa de deformación aumenta bruscamente hasta la fractura. En aplicaciones prácticas de resortes de torsión, esta etapa generalmente no está permitida.

Carga estática a largo plazo: para aplicaciones de carga estática que requieren mantener un ángulo fijo durante períodos prolongados, como resortes de válvulas o ciertos mecanismos de sujeción, el tiempo es crucial. Incluso con tensiones y temperaturas relativamente bajas, las cargas acumuladas a lo largo de años o incluso décadas pueden hacer que el fraguado permanente del resorte supere las tolerancias.

4. Influencia de la microestructura del material.

La microestructura y el proceso de fabricación del alambre de acero inoxidable tienen una influencia decisiva en la resistencia a la fluencia.

Endurecimiento por trabajo en frío: El alambre para resortes de acero inoxidable generalmente se somete a un alto porcentaje de estirado en frío para lograr una alta resistencia. La alta densidad de dislocaciones introducidas por el trabajo en frío mejora la resistencia a la fluencia a temperatura ambiente. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, estas dislocaciones pueden comenzar a recuperarse, reduciendo el rendimiento de relajación del estrés.

Endurecimiento por precipitación: algunos grados de acero inoxidable de alta resistencia (como el acero inoxidable 17-7 PH) utilizan un mecanismo de endurecimiento por precipitación. El tratamiento térmico y el envejecimiento adecuados pueden formar precipitados finos, fijando eficazmente las dislocaciones y mejorando significativamente la resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas.