ANÁLISE DAS TENSÕES TÉRMICAS EM MATERIAIS CERÂMICOS. Palavras-chave: Tensões térmicas, Propriedades variáveis, Condução de calor, GITT

Transcrição

1 ANÁLISE DAS TENSÕES TÉRMICAS EM MATERIAIS CERÂMICOS Dnz, L.S. Santos, C.A.C. Lma, J.A. Unversdade Federal da Paraíba Laboratóro de Energa Solar LES/DTM/CT/UFPB João Pessoa - PB, Brasl e-mal: cabral@les.ufpb.br Resumo As fraturas dos materas cerâmcos estão dretamente relaconadas às tensões geradas durante os choques térmcos, prncpalmente pela baxa condutvdade térmca dos mesmos. Métodos numércos e expermentas têm sdo propostos para a determnação destas tensões, mutos dos quas não têm consderado a dependênca térmca das propredades do materal. O presente trabalho utlza o método analítco da transformada ntegral generalzada (GITT) para obtenção do campo de temperatura na amostra e avalação das tensões térmcas máxmas, em função do número de Fourer. Palavras-chave: Tensões térmcas, Propredades varáves, Condução de calor, GITT. INTRODUÇÃO A análse de resstênca ao choque térmco de materas quebradços, tal como a cerâmca, tem sdo por muto tempo realzada apenas através de observações de caráter qualtatvo. Recentemente os nteresses têm dreconado as avalações com base quanttatva. Esta mudança de enfoque para a base quanttatva tem sdo ndcada por análses e expermentos ao demonstrarem que determnados materas podem apresentar ndcatvos de melhor qualdade que outros em um tpo de teste e produzr resultados contráros em outros. As razões para este comportamento estão relaconadas a complexdade para com o conhecmento do campo térmco e dos parâmetros envolvendo propredades térmcas dependentes da temperatura. As tensões térmcas geradas durante os testes dos choque térmcos estão dretamente relaconadas com as fraturas das cerâmcas; por sso mutos estudos têm sdo desenvolvdos para a determnação destas tensões. Entre estes estudos podemos ctar os métodos do resframento e do aquecmento rápdo. No resframento rápdo, a amostra é mersa em água e a resstênca resdual é medda para se obter a dferença de temperatura crítca, T c. No aquecmento rápdo, o corpo é submetdo a aquecmento produzdo por radação nfravermelha, e estma-se o decréscmo de sua resstênca. Porém, alguns problemas com estes métodos têm sdo apontados, uma vez que a dfculdade de montorar precsamente as condções de transferênca de calor faz com que uma pequena varação no procedmento do

2 teste cause uma larga varação nos resultados obtdos. Além dsto, nestes métodos não se leva em consderação que as propredades térmcas das cerâmcas (condutvdade, dfusvdade e calor específco), varam sgnfcatvamente com a temperatura e para cada tpo dferente de cerâmca. A não consderação da dependênca das propredades térmcas do materal afeta consderavelmente a determnação das tensões térmcas. Em trabalhos anterores, Nshkawa et al. (995) consderaram que a condutvdade e a dfusvdade térmcas varavam com a temperatura e resolveram numercamente pelo método mplícto das dferenças fntas. Recentemente, Dnz et al. (999) fzeram a mesma consderação para as propredades do materal e determnaram o campo de temperatura e as tensões térmcas através do uso da Técnca da Transformada Generalzada. O presente trabalho que vsa a determnação da dstrbução do campo de temperatura em uma placa nfnta de espessura L, no resframento e no aquecmento rápdo, levando um em consderação a varação das propredades do materal com a temperatura na superfíce e no nteror do corpo e condção ncal, também determna as tensões relaconadas aos choques térmcos. Para a determnação do campo térmco é utlzado a metodologa própra da Técnca da Transformada Integral Generalzada (GITT), onde o problema é formulado com uma nova defnção para o potencal admensonal de temperatura dferente da apresentada por Nshkawa et al (994). O sstema de equações dferencas ordnáras da temperatura transformada fo resolvdo pela subrotna DIVPAG do IMSL (989), com controle automátco de erro. Os resultados são apresentados em forma de gráfcos e tabelas onde se dscute a convergênca da solução e os efetos da nfluênca dos parâmetros de nteresses prátcos na engenhara dos materas como os números de Fourer e de Bot.. FORMULAÇÃO MATEMÁTICA DO PROBLEMA A determnação da dstrbução de temperaturas consderando a condução de calor undmensonal para uma placa nfnta, no aquecmento e resframento rápdo em ambas as superfíces, e anda levando-se em consderação a varação das propredades do materal com a temperatura na superfíce e no nteror do corpo, condções de contorno e ncal, são escrtas como mostrado abaxo. ( x, t) ( x, t), T T ρ C P K( T) t x x x L, t (.a) ( x, t) T x, ( x, t) x T K( T) h( T( x, t) Tf ), x L x (.b) (.c) T ( x, t) T, x x, t (.d) Utlzando os grupos admensonas abaxo, o problema defndo pelas equações (.a-d) será admensonalzado.

3 x X L αt τ L α α α ( T) K( T) ( X, τ ) K K Equações admensonalzadas: Equação prncpal: T ( x, t) T f Θ T Tf K hl B ( ) Θ τ ( X, ) τ Θ ( X, τ), α X X X, τ (3.a) Condções de contorno: (, τ) Θ X, X X (3.b) ( X, τ) Θ K + BΘ X Condção ncal: ( X, τ), X (3.c) ( X, τ), Θ x, τ (3.d) A condutvdade e dfusvdade térmca admensonas mostradas nas equações acma são expressas em função da temperatura, que segundo T. Nshkawa et al. (995) são dadas por: ( X, τ) K + AΘ (4) α ( X, τ) + BΘ (5) Os coefcentes A e B das equações (4 e 5) são os coefcentes de dependênca da temperatura, denotados como constantes de temperatura. Segundo a metodologa empregada pela Técnca da Transformada Integral Generalzada ndcada por Cotta (993), para se resolver analtcamente este problema de transferênca de calor, temos que fazer uso do problema auxlar de autovalor: d Ψ ( µ, X) dx + µ Ψ ( µ, X), X, (6.a) ( µ, X) dψ dx dψ (, X) µ + BΨ dx, X ( µ, X), X (6.b) (6.c)

4 O problema auxlar de autovalor acma tem solução clássca, através do método da separação de varáves do tpo: Ψ ( µ, X) cos( µ X) com os autovalores obtdos a partr da solução da equação transcendental. ( ) µ Sen( µ ) B Cos µ (6.d) Onde é a ordem do autovalor e da autofunção. O par transformada ntegral defndo para este problema é dado por: f Θ () τ Ψ ( µ, X) Θ ( X, τ)dx N (, τ) Transformada (7.a) ( µ,x) f () τ Ψ X Inversa (7.b) N Utlzando-se os operadores Ψ ( µ, X)dX no problema prncpal e N * Θ ( X, τ)dx no problema auxlar, e após as manpulações matemátcas, obtemos a N equação dferencal ordnára na forma transformada da dstrbução de temperaturas e a transformada da condção ncal, dadas pelas equações abaxo: df dτ () τ D Θ (, τ) A f () τ + B f () τ j j j j j j (8.a) onde a condção ncal transformada, e os coefcentes da eq. (8.a) são dados por: f () BΨ µ N ( µ, X) D ( µ,) α ( ) K () BΨ (8.b-c) N A j Ψ ( µ, X) Ψ j( µ j,x) ( N N ) j dx B j ( µ, X) Ψ j( µ j,x) Θ( X, τ) ( N N ) BΨ dx (8.d-e) j onde o número nas equações acma ndca que a função é tomada na parede. O problema acma fo resolvdo utlzando um códgo computaconal na lnguagem FORTRAN 9, usando a subrotna para problema de valor ncal DIVPAG (IMSL, 989).

5 A tensão térmca admensonal, σ *, para uma placa nfnta undmensonal, segundo Tmoshenko & Gooder (97), é dada por: σ ( ) Θ ( τ) Θ ( X, τ) X med (9) A temperatura méda na placa pode ser calculada a partr da dstrbução de temperatura da segunte forma: Θ () τ Θ ( X, )dx med τ () A tensão σ * é admensonalzada na forma [ γε Τ] σ f, onde σ f é a resstênca à fratura, γ é o coefcente de expansão térmca, E é o módulo de Young s e T é a dferença de temperatura no teste do choque térmco. A tensão térmca máxma é gerada no centro do corpo no aquecmento rápdo e na superfíce no resframento rápdo. 3. RESULTADOS OBTIDOS Os resultados são apresentados abaxo e a análse é feta quanto a qualdade obtda em termos de convergênca e confabldade para uma análse amplada e com o controle dos parâmetros que nfluencam as tensões térmcas. A tabela mostra a convergênca dos resultados obtdos para a tensão térmca admensonal nos testes do resframento rápdo nos quas as propredades térmcas, condutvdade e dfusvdade, do materal foram consderadas constantes ( com os coefcentes A e B ), representando uma stuação clássca de um problema de condução transente de calor. Nesta tabela podemos observar que o número de equações necessáras para convergênca da solução é menor que o apresentado por Dnz, Slva, et al. (999). Isso ocorre devdo ao fato de que o problema auxlar de autovalor representa melhor o problema prncpal. Tabela : Convergênca da tensão térmca, σ*, no aquecmento rápdo para A e B, e Bot 5. τ σ* NC σ* NC σ* NC3 σ* NC4 σ* NC A fgura mostra a dstrbução de temperatura para dferentes números de Fourer em função do comprmento admensonal, consderando as propredades do materal constantes (A, B ). A tensão térmca máxma no resframento rápdo ocorre quando a dferença entre a temperatura méda do corpo e a temperatura na superfíce torna-se máxma à medda que se vara o tempo do teste. Neste caso o gradente máxmo é atngdo quando t 5 s e assume o valor de E-.

6 Fgura : Dstrbução da temperatura admensonal com o comprmento admensonal no resframento rápdo para dferentes números de Fourer, propredades térmcas constantes (A, B ) e Bot 4. A fgura mostra a nfluênca do número de Bot na dstrbução de temperatura na qual ocorre as tensões térmcas máxmas para o caso do resframento rápdo com as propredades térmcas, condutvdade e dfusvdade constantes. A medda que o valor do Bot aumenta, o gradente máxmo de temperatura é maor e o tempo para ocorrênca deste fenômeno é menor. Este fato pode ser observado através de cada curva, vsto que, para uma mesma varação no comprmento admensonal, provoca gradentes térmcos maores para curvas com números de Bot maor. Além dsto, pode-se perceber que, neste caso, a mudança de temperatura na parede é mas brusca para número de Bot mas elevado. A fgura 3 mostra o comportamento das tensões térmcas geradas na superfíce da amostra, durante os testes do choque térmco. Neste caso observa-se que o tempo para a ocorrênca da tensão máxma dmnu com o aumento do coefcente da dfusvdade térmca, B 5, tendo o coefcente da condutvdade menor nfluênca. A stuação mas crítca ocorre quando A e B 5, uma vez que a onda de calor se dsspa rapdamente apresentando um pco em um menor ntervalo de tempo. Na fgura 4 podem ser observadas as tensões térmcas máxmas atngdas por uma amostra de materal cerâmco quando submetdo a um teste de aquecmento em função do número de Fourer e dferentes coefcentes de temperatura A e B. Neste tpo de teste as tensões térmcas máxmas σ * max, são atngdas no centro da amostra. Como pode ser observado pelas curvas obtdas os valores dos gradentes máxmos de temperatura são aproxmadamente metade do valor determnado no resframento, enquanto o ntervalo de tempo necessáro para atngr a máxma tensão térmca aumenta.

7 Fgura : Dstrbução de temperatura admensonal no caso do resframento rápdo para dferentes números de Fourer e Bot. Fgura 3: Varação da tensão térmca com o número de Fourer no resframento rápdo, para o número de Bot 5.

8 Fgura 4: Varação da tensão térmca no centro com o número de Fourer no aquecmento rápdo, para o número de Bot CONCLUSÕES A técnca da transformada ntegral fo utlzada na análse das tensões térmcas em materas cerâmcos, levando-se em consderação a varação de suas propredades térmcas com a temperatura. Resultados de referênca são obtdos, uma vez que o método permte a manpulação analítca e oferece soluções explíctas para a dstrbução de temperatura com controle automátco do erro global. Convergênca para quatro algarsmos sgnfcatvo é alcançada para um menor número de termos na sére em função da homogenezação da condção de contorno na parede. Em relação á físca do processo, observa-se que a tensão gerada no aquecmento rápdo é aproxmadamente metade da obtda no resframento rápdo. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Cotta, R. M., 993, Integral transforms n computatonal heat and flow, CRC Press, Inc., Boca Raton, Flórda. IMSL Lbrary, Houston, Texas, 989. T. Nshkawa, T. Gao, M. Hb & M. Takatsu, 994, Heat transmsson durng thermal shock testng of ceramcs, Journal of Materals Scence, Vol. 9, pp T. Nshkawa, T. Mzu, M. Takatsu & Y. Mzutan, 995, Effect of the temperature dependence of thermal propertes on the shock tests of ceramcs, Journal of Materals Scence, Vol. 3, pp S. P. Tmoshenko & J. N. Gooder, 97, Theory of Elastcty, Mcgraw Hll, New York. Slva, M. G.da; Dnz, L. da S.; Santos, C. A. C.; Belo, F. A.; 999; Análse das Tensões Térmcas em Cerâmcas va Técnca da Transformada Integral Generalzada; XV Congresso Braslero de Engenhara Mecânca - COBEM. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o suporte fnancero das agêncas CNPq/CAPES.