Ensaio de Fluência

EM-641

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-Coresistem 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

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MÁQUINA DE ENSAIO:

kg

o C

Peso

Corpo-de-prova

Tempo

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Máquina de Ensaio

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RESULTADOS DO ENSAIO:

Tempo

Deformação

Região deencruamento

Região detaxa de deformaçãoconstante

Regiãode ruptura

CORPO DE PROVA:

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

S

Ensaio em 3 categorias: Fluência (resistência à fluência)Ruptura (ruptura à fluência)Relaxação (deformação constante)

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Estágio primário : aumento da resistência (encruamento e ε0)

Estágio secundário : equilíbrio encruamento e recuperação (εm)

Estágio terciário : início do processo de ruptura pelos mecanismos de fratura

Alguns materiais não apresentam os 3 estágios e alguns apresentam estricção

ε dε/dt

tempo

I III II

tempo

I III II

(A) (B)

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.

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RESULTADO CARACTERÍSTICO DO ENSAIO:

Taxa Mínima de Fluência:

Tempo de Ruptura:

Pode ser relacionada com a tensão aplicada

Vida útil do material

Tipos de Gráficos:

1n1m .k σ=ε&

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Com os resultados de σ e εm em log-log, obtém-se uma reta .Esta é outra forma de apresentação dos resultadosdo ensaio de fluência, e deve ser utilizada comovalores de referência para projetos de componentesque devam resistir à fluência.

Ao se fazer referência a dados de fluência, é prática comum a menção dos termos como resistência àfluência 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, 1.000 ou 10.000 horas.

Uma taxa mínima de fluência de 0,0001% , implica uma deformação de 1% a cada 10.000 h de operação

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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] ,

tr = 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 equaçãoC = T ( 20 + log tr )

Obtendo-se o tempo de rupturaLiga a base de ferro

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INFORMAÇÕES ADICIONAIS

Mecanismos de deformação à T elevadas:movimento de discordânciasrecristalização escorregamento de contornos de grãos.

O 1o e o 3o são favorecidos com o aumento T.

Mecanismos de fratura a T elevadas:formação de cavidades nos CGaumento das microtrincascoalescimento das microtrincasformação de uma macrotrinca

Influência da tensão aplicada no ensaio, mantida a T cteTensão tr εo εm

Influência da temperatura aplicada no ensaio, mantida a tensão cteTemperatura tr εo εm

Ligas metálicas mais resistentes: aços inoxidáveissuperligas ou ligas a base de níquel, cobalto ou ferro ou combinações; ligas refratárias (à base de nióbio, molibdênio, tungstênio, titânio, tântalo e cromo).

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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

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Turbina de jato

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

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Ensaio de Fluência em Lâmina de Turbina

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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

)t()t(E

εσ

=

a) Carga em função do tempob) Totalmente elásticoc) Viscoelásticod) Viscoso

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Exercício 31Liga de Níquel

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Exercício 34

Aço