INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA PROGRAMA DE CIÊNCIA DOS MATERIAIS FLUÊNCIA Propriedades dos Materiais Ten Cel Sousa Lima, D. C. SUMÁRIO Métodos Comportamento em fluência Tipos de ensaios Avaliação da fluência Referências 2 de 26 1 de 13
Definição MÉTODOS é a deformação plástica que ocorre em função do tempo em um material submetido a uma tensão ou carga constante Ocorre em todos os materiais e nos metais torna-se crítica para valores de T > 0,4 Tf (K), que aceleram a taxa de deformação Os principais materiais ensaiados são os empregados em turbinas, refinarias petroquímicas e usinas nucleares Turbina à gás 3 de 26 Definição MÉTODOS Não é um ensaio de rotina, devido ao longo tempo para a sua realização; pode durar até pouco mais de um ano Embora de grande importância, normalmente seu uso se restringe a atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos materiais ou ligas metálicas e para a determinação de condições seguras de uso de diversos produtos Refinaria de Cubatão, SP 4 de 26 2 de 13
MÉTODOS Equipamento O equipamento para a realização deste ensaio permite aplicar uma carga ou tensão de tração constante ao CP em altas temperaturas CP Forno De um modo geral, as máquinas utilizam pesos para a aplicação de carga Tensão ou carga constante Esquema da máquina de ensaio 5 de 26 MÉTODOS Equipamento Normalmente CP frágeis são submetidos a compressão, que não desenvolvem amplificação de tensões e propagação de trincas como em tração Forno CP Garras Extensômetro Carga Esquema da máquina de ensaio 6 de 26 3 de 13
Corpo-de-prova MÉTODOS Os CP se assemelham aos utilizados em ensaios de tração e podem ter seção reta ou circular Antes do ensaio o CP deve ser aquecido por um tempo suficiente para a homogeneização da temperatura, o que pode ser realizado por indução, radiação ou resistência elétrica A temperatura deve ser medida por meio de pirômetros ligados ao corpo de prova ou por termopares Extensômetro acoplado a um CP 7 de 26 MÉTODOS Medição da deformação Um extensômetro é ligado ao CP por meio de hastes de extensão e desta forma é posicionado fora da região de aquecimento CP Hastes Extensômetro Extensômetro para altas T 8 de 26 4 de 13
Curva típica Este ensaio consiste em avaliar a deformação que ocorre durante o ensaio a uma dada temperatura; tanto a carga como a temperatura são mantidas constantes Primária Vida de ruptura Secundária Terciária O resultado é uma curva de deformação com o tempo Deformação instantânea (elástica e plástica) & ε = dε dt Curva típica de fluência 9 de 26 Estágios Esta curva pode ser dividida em 3 estágios: - Estágio primário Também chamado de fluência primária, caracteriza-se por um decréscimo da taxa de fluência, ε&, devido ao encruamento ε A deformação instantânea total,, deve-se ao carregamento inicial no CP e é formada pela deformação elástica, εe, e plástica, ε p ε = ε e + ε p 10 de 26 5 de 13
Estágios - Estágio secundário A taxa de fluência é constante e a curva tem um aspecto linear, devido a 2 processos competitivos, encruamento e recuperação; o valor médio no estágio secundário é chamado de taxa mínima de fluência ou taxa de fluência em regime estacionário, ε& m A recuperação é realizada por meio de escalagem (cross-slip) A escalagem pode ocorrer pela saída de átomos da linha de discordâncias para a criação de intersticiais ou preenchimento de vazios ou pelo movimento contrário 11 de 26 Estágios - Estágio secundário Uma contribuição importante para a deformação é o deslizamento dos contornos de grãos, que é um processo de cisalhamento que ocorre na direção dos contornos e que pode também criar lacunas que facilitam a escalagem Inclusão Vazios O deslizamento dos contornos de grãos cria vazios em inclusões aprisionadas nos contornos 12 de 26 6 de 13
Estágios - Estágio secundário Desta forma, o refinamento de grãos é prejudicial à resistência à fluência Estrutura de grãos em lâminas de turbinas: (a) grãos equiaxiais, (b) grãos colunares e (c) monocristal 13 de 26 Estágios - Estágio terciário Ocorre uma aceleração da taxa de fluência pela intensa movimentação de discordâncias, que culmina com a ruptura do CP, muitas vezes com estricção; ocorre principalmente em ensaios submetidos a cargas e/ou temperaturas elevadas Cavidades de fluência em contornos de grãos de um aço inoxidável austenítico (x 500) 14 de 26 7 de 13
Estágios - Estágio terciário Neste estágio tem início o processo de fratura, pela formação e propagação contínua de microtrincas nos contornos de grãos Com altas tensões e temperaturas mais baixas ocorrem vazios em pontos triplos Grão Vazio Grão Grão Criação de vazio em ponto triplo onde 3 grãos estão em contato 15 de 26 Avaliação da fluência Para avaliar a fluência, utilizam-se três tipos de ensaios: - Ensaio de fluência; - Ensaio de ruptura por fluência; - Ensaio de relaxação Three Mile Island, Pennsylvania 16 de 26 8 de 13
Ensaio de fluência A duração deste ensaio é muito variável, de dias a pouco mais de um ano; é normal também o ensaio ter a mesma duração esperada para a vida útil do produto O objetivo do ensaio, em muito casos, é determinar as tensões necessárias para produzir uma deformação limite de 0,5%, 1,0% (turbinas e tubulações a quente) e, em alguns casos, até 2,0% Turbina a vapor, ε limite de 1% 17 de 26 Ensaio de fluência Assim, é possível selecionar as tensões de trabalho que nas operações práticas evitem deformações excessivas Este ensaio é interrompido antes da ruptura ou conduzido até cerca da metade do estágio secundário Em geral são realizados inúmeros ensaios, variando a carga e/ou a temperatura Máquina de ensaio 18 de 26 9 de 13
Ensaio de ruptura por fluência Semelhante ao anterior, entretanto, os CP são sempre levados até a ruptura; para isto, utilizam-se cargas maiores e, portanto, são obtidas maiores velocidades de fluência e a deformação atingida pelos CP pode atingir 50% Os resultados obtidos são o tempo para a ruptura do corpo de prova, a medida da deformação e, em certos casos, a estricção Sistema automatizado 19 de 26 Ensaio de ruptura por fluência Este ensaio é menos demorado que o ensaio de fluência; sua duração fica em torno de 1.000 horas. Da mesma forma que o anterior, são necessários muitos CP, ensaiados com cargas diferentes, para a obtenção de resultados significativos Além disto, é possível selecionar as tensões de trabalho que nas operações práticas evitem a ruptura do material 20 de 26 10 de 13
Ensaio de ruptura por fluência O gráfico deste ensaio relaciona a carga com o tempo de ruptura para uma determinada deformação e temperatura e é construído a partir dos resultados de diversos CP 21 de 26 Ensaio de relaxação A relaxação de tensão ocorre em flanges ou outras peças fixadas por parafusos ou ajustadas a quente em serviço a altas temperaturas Este fenômeno pode tornar as ligações frouxas por deformação dos componentes Este ensaio é realizado normalmente em parafusos e materiais de ligação Flange 22 de 26 11 de 13
Ensaio de relaxação Ao contrário dos anteriores, que exigem um grande número de CP, este ensaio é feito com apenas um, normalmente mantendo a deformação e a temperatura constantes e mede-se a redução da carga ou tensão aplicada ao longo do tempo A maioria dos ensaios duram de 1.000 a 2.000 h; a sua principal desvantagem são as exigências do equipamento, cujo sistema de medição de força deve permitir medições precisas de pequenas variações de carga ao longo do tempo Flange com parafusos 23 de 26 AVALIAÇÃO DA FLUÊNCIA Efeito da temperatura e tensão aplicada São 3 os efeitos de cada um, mantendo o outro constante: - Aumento da deformação inicial - Aumento da taxa na região secundária - Redução do tempo de vida 24 de 26 12 de 13
AVALIAÇÃO DA FLUÊNCIA Fatores que afetam a fluência Entre os principais fatores que afetam a fluência podem ser citados: - Temperatura de fusão - E - Tamanho de grão Quanto maiores estes valores, melhor resistência à fluência 25 de 26 Estudo principal - Livro texto (7ª Edição) Capítulo 8 Falhas - REFERÊNCIAS Estudo complementar - A. Garcia, J.A. Spim & C.A. dos Santos, Ensaios dos Materiais, LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, RJ, 2000 - S.A. de Souza, Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Ed. Edgard Blucher Ltda, São Paulo, SP, 1982 26 de 26 13 de 13