Ensaio de Fluência. aplicação de uma carga/tensão constante em função do tempo e à temperaturas elevadas (para metais T > 0,4 T fusão)

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1 Ensaio de Fluência DEFINIÇÃO: Fluência é a deformação plástica que ocorre em qualquer tipo de material e é decorrente da aplicação de uma carga/tensão constante em função do tempo e à temperaturas elevadas (para metais T > 0,4 T fusão) Objetivo é determinar a vida útil do material nessas condições Pode ser feito em peças acabadas ou c.p similares aos de tração. Dados quantitativos, e é amplamente utilizado na indústria petroquímica, tubulações de vapor: Ex: Aços Cr-Mo resistem bem até 550 C; Aços inox austeníticos até 650 C peças de reatores nucleares, indústria aeroespacial (turbinas e mísseis): Superligas à base de Ni-Cr-Co resistem bem a temperaturas > 1000 C Utiliza-se de técnicas de extrapolação dos resultados, para longos períodos (10, 20 anos de vida útil) Sofre influência: anisotropia, microestrutura, tratamento térmico, ambiente. METAIS : > T fusão; > E ; > tamanho de grão... IMPLICAM... em > Resistência à FLUÊNCIA

2 MÁQUINA DE ENSAIO: Corpo-deprova Tempo o C kg Peso

3 Máquina de Ensaio

4 CORPO DE PROVA: S superfícies lisas e isentas de defeitos; aplicação da carga no eixo longitudinal do c.p. comprimento l e diâmetro 2R; Materiais frágeis geralmente são ensaios em condições de compressão l Ensaio em 3 categorias: Fluência (resistência à fluência) Ruptura (ruptura à fluência) Relaxação (deformação constante) RESULTADOS DO ENSAIO: Deformação Região de encruamento Região de taxa de deformação constante Região de ruptura Tempo

5 Estágio primário : aumento da resistência (encruamento e ε 0 ) Estágio secundário : equilíbrio encruamento e recuperação (ε m ) Estágio terciário : início do processo de ruptura pelos mecanismos de fratura ε dε/dt I II III I II III tempo tempo (A) (B) Alguns materiais não apresentam os 3 estágios e alguns apresentam estricção Tipos de Ensaios: Ensaio de Fluência: vida útil do material (utiliza-se de métodos de extrapolação dos resultados) sendo portanto realizado por um período determinado de tempo; Ensaio de Ruptura: segue até a ruptura do c.p., fornecendo informações sobre a tensão nominal que o material suporta em determinada T até a ruptura (cargas maiores que as especificadas); Ensaio de Relaxação: fornece informações sobre a redução da tensão aplicada ao c.p. quando a deformação em função do tempo é constante à determinada temperatura.

6 Tipos de Gráficos: RESULTADO CARACTERÍSTICO DO ENSAIO: Taxa Mínima de Fluência: Pode ser relacionada com a tensão aplicada ε& m = k 1. σ n 1 Tempo de Ruptura: Vida útil do material

7 Com os resultados de σ e ε m em log-log, obtém-se uma reta. Esta é outra forma de apresentação dos resultados do ensaio de fluência, e deve ser utilizada como valores de referência para projetos de componentes que devam resistir à fluência. Ao se fazer referência a dados de fluência, é prática comum a menção dos termos como resistência à fluência e resistência à ruptura. A resistência à fluência é definida como a tensão a uma determinada temperatura que produz uma taxa mínima de fluência de por exemplo 0,0001 por cento/hora ou 0,001 por cento/hora. A resistência à ruptura refere-se à tensão a uma determinada temperatura que produz uma vida até a ruptura de 100, ou horas. Uma taxa mínima de fluência de 0,0001%, implica uma deformação de 1% a cada h de operação

8 Extrapolação de Características de Fluência para Longos Períodos Avaliar o comportamento à fluência em condições de T acima das especificadas, t mais curtos e mesma σ e, a partir dos resultados, fazer uma extrapolação às condições de operação do componente. Uma extrapolação segura só pode ser feita quando se tem certeza que não ocorrerão mudanças estruturais na região da extrapolação que resultem na variação da inclinação da curva. Parâmetro de Larson-Miller: T.( C + log tr ) = constante onde: C = constante de Larson-Miller, da ordem de 20, T = temperatura do ensaio [K], t r = tempo de ruptura [h]. Gráficos de tensão x Larson-Miller Ex: Tensão de 400 MPa e T de 873 K Determina-se Larson-Miller Aplica a equação C = T ( 20 + log t r ) Obtendo-se o tempo de ruptura Liga a base de ferro

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10 INFORMAÇÕES ADICIONAIS Mecanismos de deformação à T elevadas: movimento de discordâncias recristalização escorregamento de contornos de grãos. O 1 o e o 3 o são favorecidos com o aumento T. Mecanismos de fratura a T elevadas: formação de cavidades nos CG aumento das microtrincas coalescimento das microtrincas formação de uma macrotrinca Influência da tensão aplicada no ensaio, mantida a T cte Tensão t r ε o ε m Influência da temperatura aplicada no ensaio, mantida a tensão cte Temperatura tr ε o ε m Ligas metálicas mais resistentes: aços inoxidáveis superligas ou ligas a base de níquel, cobalto ou ferro ou combinações; ligas refratárias (à base de nióbio, molibdênio, tungstênio, titânio, tântalo e cromo).

11 Influência do Tamanho do grão: Quanto Maior: Maior a Resistência à Fluência A T altas é mais significativa a deformação por escorregamento dos contornos de grão implicando em maiores deformações em materiais com granulação fina e consequentemente, menor resistência à fluência. Ex: lâminas de turbinas produzidas por: fundição convencional (grãos cristalinos distribuídos aleatoriamente) solidificação unidirecional (grãos colunares alongados) monocristais

12 Turbina de jato

13 Lâminas de Turbinas: (a) equiaxial :t R (b) colunar:2,5 t R (c) monocristal:9 t R

14 Ensaio de Fluência em Lâmina de Turbina

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17 MATERIAIS CERÂMICOS: Geralmente em condições de compressão MATERIAIS POLIMÉRICOS: Também suscetíveis a fluência: Ex: pneus de carro estacionado por longo período > manchas planas Comportamento dos polímeros: T baixas comportam-se como vidros (frágeis) T intermediárias combinam os dois extremos: comportamento viscoelástico T altas comportam-se como líquidos (viscosos) Para análises em situação de fluência, costuma-se definir o termo Módulo de Fluência E: σ representa a tensão constante aplicada ε (t) representa a deformação em função do tempo E (t) = ε σ (t) a) Carga em função do tempo b) Totalmente elástico c) Viscoelástico d) Viscoso

18 Exercício 31 Liga de Níquel

19 Exercício 34 Aço