Teoria

E ai pessoal!!!! Tranquilo?

É comum material de engenharia estar submetido a condições de temperaturas elevadas e exposto a tensões mecânicas estáticas. Mas será que, caso o material esteja submetido a tensões abaixo do escoamento, pode sofrer uma falha?

A fluência é um tipo de falha que o material sofre quando está submetido a temperaturas elevadas, mesmo sobre tensões estáticas abaixo do escoamento.

A fluência é definida como: deformação permanente e dependente do tempo de materiais submetidos a uma carga ou tensão constante. Não desejamos que nossas peças falhem por fluência, portanto ao projetarmos um componente que estará submetido a altas temperaturas devemos considerar esse fenômeno, pois este é um fator limitante na vida útil de uma peça. Ela é observada em todos os tipos de materiais, porém para metais, ela se torna importante quando o mesmo trabalha em temperatura acima de 40% da temperatura absoluta de fusão do material.

Comportamento geral em fluência

Para determinarmos o comportamento do material em fluência submetemos o material em um ensaio de fluência. Esse ensaio consiste em aplicar uma tensão ou uma carga constante, ao mesmo tempo em que também se mantém a temperatura constante. Em um gráfico da deformação por fluência em função do tempo plotamos o comportamento do material.

O gráfico acima mostra a deformação em fluência em função do tempo. Note que com a carga aplicada temos uma deformação elástica instantânea. Depois desta, vemos três regiões distintas da curva de fluência:

  1. Fluência primária: essa etapa é caracterizada por uma taxa de fluência continuamente decrescente, ou seja, temos a diminuição da deformação com o tempo. Essa diminuição sugeri que o material esteja aumentando sua resistência a fluência.
  2. Fluência secundária: nessa etapa temos uma taxa de deformação constante. Normalmente, esse estágio da fluência é o de maior duração. Essa taxa constante pode ser explicada pelo equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação.
  3. Fluência terciária: nessa temos uma aceleração da taxa até a ruptura do material.

Um dos parâmetros mais importante em um ensaio de fluência é a inclinação da porção secundária. Muitas vezes, essa inclinação é conhecida como taxa de fluência estacionária ( ϵ s ˙ ). Ao projetarmos aplicações de longo prazo levamos em consideração essa taxa. Para aplicações onde os componentes possuem vidas relativamente curtas, o tempo para a ruptura, ou o tempo de vida até a ruptura t r , é a consideração de projeto predominante.

O gráfico acima mostra como a temperatura ou a tensão influenciam o comportamento em fluência do material. Note que em temperatura abaixo a 0,4 ∙ t f , e após deformação permanente inicial, a deformação é independente do tempo. Com o aumenta da temperatura ou da tensão observe que: (1) a deformação elástica instantânea é aumentada; (2) a taxa de fluência estacionaria é aumenta e (3) o tempo de vida até a ruptura é diminuído.

Desenvolveram relações empíricas nas quais a taxa de fluência estacionária é expressa em função da tensão e da temperatura.

ϵ r ˙ = K 1 σ n

A equação acima demostra a relação da tensão com a taxa de fluência. Já a equação abaixo, tem-se a influencia da temperatura no processo.

ϵ r ˙ = K 2 σ n exp ⁡ - Q f R T

Em que, K 1 , K 2 e n são constantes do material. Q f também é uma constante do material e é denominada energia de ativação para o processo de fluência.

Tivemos vários mecanismos teóricos propostos para explicar o comportamento da fluência. Esses mecanismos envolvem a difusão de lacunas induzida pela tensão, difusão nos contornos de grão, o movimento de discordâncias e o escorregamento do contorno de grão.

Muitas vezes, precisamos dos dados de fluência para uso prático na engenharia. Porém, para aplicações onde o tempo é dado em anos e como não é possível ensaiar o material pelo tempo real, uma solução para isso foi ensaiar o material em uma temperatura acima daquelas necessárias, por períodos de tempo mais curto e sob um nível de tensão comparável, para então fazer uma extrapolação dos dados para as condições de serviço. Um procedimento de extrapolação comumente utilizado é o parâmetro de Larson-Miller:

T C + log ⁡ t r  

Em que C é uma constante, para T em Kelvin e o tempo de vida até a ruptura t r .

Fatores como temperatura de fusão, módulo de elasticidade e o tamanho de grão afetam o comportamento em fluência dos metais. Geralmente, quanto maior a temperatura de fusão, maior o módulo de elasticidade, e quanto maior o tamanho de grão, melhor a resistência do material à fluência. Grãos menores permitem maior escorregamento dos contornos de grão, resultando, assim, em maiores taxas de fluência.

Comportamento geral em fluência

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