Dado que tales filamentos pueden ver 2500 ° C o más, existen dos requisitos importantes, entre otros, para un filamento de bombilla. El primero es que sea resistente a la deformación a alta temperatura o al arrastre. Eso es para que el filamento no se hunda bajo la fuerza combinada de su propio peso más la gravedad mientras está operando a tres cuartos de su temperatura de fusión absoluta.
El segundo requisito es que el filamento no se fracture mientras está en uso. Esto está relacionado con la primera condición anterior, pero lo suficientemente diferente como para garantizar que se enumere por separado, como veremos en un momento.
Con respecto a la primera condición, una temperatura de fusión alta es imprescindible, por supuesto, ya que la temperatura de fusión alta generalmente se traduce en una mayor resistencia a la deformación por fluencia que de otro modo debilitaría el filamento y permitiría que se caiga.
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Sobre la segunda condición, es útil considerar cómo se hace el filamento. El proceso comienza a partir de la metalurgia del polvo e incluye deformación. La microestructura final consiste en granos alargados con dimensiones transversales lo suficientemente pequeñas como para que una sección transversal del filamento pueda incluir varios diámetros de grano. Sin embargo, durante la operación posterior a alta temperatura, el filamento se recristaliza. Es decir, a temperatura elevada, la energía de deformación interna creada por la deformación impartida al filamento durante su fabricación hace que se formen nuevos granos con los límites de grano subsiguientes situados perpendiculares al diámetro del filamento. Cuando se enciende la bombilla, el choque térmico repentino al filamento imparte una fuerza de tensión paralela a él y, por lo tanto, perpendicular a los límites del grano. Debido a que los límites de grano son más propensos a la separación por tracción en esta orientación, eventualmente el filamento falla por fractura de límite de grano. Esta es la razón por la cual las bombillas a menudo fallan inmediatamente después de encenderse. Como la recristalización es menos probable cuanto mayor sea el punto de fusión del material, como con el primer requisito anterior, un alto punto de fusión también es esencial para evitar este modo de falla el mayor tiempo posible.
Por lo tanto, las dos condiciones anteriores requieren que el material de filamento tenga un alto punto de fusión. El profesor Mike Ashby, de la Universidad de Cambridge, ha publicado este libro de texto que está lleno de útiles tablas de comparación de propiedades de materiales y también ha otorgado gentilmente permiso para reproducir estas tablas con atribución. En consecuencia, a continuación se muestra uno de esos gráficos:
Esto muestra que de todos los metales, el tungsteno posee la temperatura de servicio más alta. A la luz de la alta temperatura de fusión necesaria de los filamentos de las bombillas, este cuadro deja en claro por qué se utiliza el tungsteno.
Sin embargo, el rango de temperatura de servicio dado para el tungsteno todavía está por debajo de la temperatura de un filamento. Y hasta aproximadamente la década de 1970, los filamentos de tungsteno fallaron con más frecuencia que hoy. Todo eso cambió gracias a la adición de potasio al tungsteno. El potasio retrasa la recristalización que acompaña a la operación del filamento, lo que a su vez ralentiza la formación de las direcciones perpendiculares del límite del grano que son menos resistentes a la falla de tensión cuando se encienden los bulbos. Entonces las bombillas hoy en día duran más que antes.
