Muitos componentes são aplicados em serviços em altas temperaturas como, por exemplo, em plantas de geração de energia que usam fontes fósseis e nucleares, fábricas de processamento químico e petroquímico, turbinas movidas a vapor e a gás e motores de combustão. Com as demandas de consumo mundial crescendo, a tendência é que esses serviços passem a ser cada vez mais rigorosos e necessitam ser mais eficientes, sendo de extrema importância o desenvolvimento de novos materiais para aplicações em altas temperaturas, bem como a caracterização do comportamento mecânico. A tendência do uso dos materiais em condições de temperatura altamente severas tem originado muitos estudos de iniciação e propagação de complexos processos de danos, que levam a falha e, consequentemente, a limitação da vida útil dos materiais aplicados em tais condições de trabalho. Por isso, uma segura avaliação do comportamento mecânico é de grande importância, pois o desconhecimento deste pode levar a consequências desastrosas e também, aumentar os custos de paradas e manutenção de sistemas produtivos.
A bem conhecida relação de Coffin-Manson é bem estabelecida e muito aplicada para a previsão de vida de componentes que operam em temperatura ambiente. Quando a temperatura é aumentada por volta de (50%) da temperatura de fusão homóloga do material, mecanismos de danos dependentes do tempo se tornam importantes para descrever o comportamento mecânico do material. Consequentemente, o tempo é um importante fator em ensaios de fadiga em alta temperatura e pode ser introduzido através de considerações da taxa de deformação, frequência e tempos de permanência (COFFIN JR., 1973; BERLING, 1969). Como resultado, a fadiga de baixo ciclo para alta temperatura não pode ser caracterizada pela mesma relação que é usada em temperatura ambiente. Um componente pode, por exemplo, ser carregado centrifugamente, por pressões internas, carregadas unixialmente, etc. Geralmente, as solicitações por fadiga, nessas condições de carregamento, partem da tensão inicial zero até uma determinada tensão em tração. Na existência de gradientes térmicos, podem ser incluídas
tensões induzidas termicamente, e assim, surgem tensões internas trativas e compressivas (SKELTON, 2003). Na avaliação do tempo de vida de componentes que trabalham a altas temperaturas, tem se revelado conveniente reconhecer os modos de falha mais comuns que são classificados como:
Deformação inelástica;
Acúmulo de dano por fluência;
Iniciação de trinca por fadiga-fluência; Propagação de dano por fadiga-fluência.
Quando grandes componentes, tais como carcaças de turbinas a gás ou a vapor, são submetidos a grandes gradientes de temperatura, como quando acontece na partida e nas paradas de equipamento, danos por fadiga térmica ou termomecânicas que podem acontecer em lugares onde existe concentração de tensão. Da mesma forma, choques térmicos resultantes de paradas emergenciais em pequenas espessuras, como por exemplo, lâminas de rotores de turbinas, tubos de fornos de pirólise, tubos de caldeiras de geração de vapor, podem levar a iniciação de trincas superficiais (SKELTON, 2003).
Para visualizar o problema da fadiga em alta temperatura, pode-se usar o esquema de Coffin Jr. (1973), ilustrado na Figura 31 que mostra os estágios físicos em um processo de falha e os campos da ciência utilizadas para estudar o problema.
Figura 31: Visão esquemática de um problema de fadiga em alta temperatura, mostrando os estágios físicos em um processo de falha
Pela Figura 31, é possível ver o processo de fadiga acontecer em três estágios (COFFIN JR., 1973):
1° Nucleação e propagação inicial com a zona plástica se desenvolvendo na raiz do concentrador de tensão: As tensões e deformações identificadas por ferramentas como
elementos finitos que requerem informações sobre o material e equações constitutivas, do apropriado critério de falha, e onde a ocorrência de nucleação de trincas pode ser prevista;
2° Propagação da trinca de maneira estável pela zona plástica: Através de uma
análise com a mecânica da fratura elástoplástica, pode-se prever o comportamento de propagação de trinca, e também um apropriado critério de fratura;
3° Propagação da trinca através da zona elástica: Determinação da propagação de
trinca e tenacidade à fratura através dos conceitos da mecânica da fratura linear-elástica. Do raciocínio acima, pode-se justificar os ensaios de fadiga uniaxial como uma base apropriada para prover informações sobre a deformação necessária para estabelecer um critério de nucleação de trinca em estruturas reais.
Existem técnicas que são mais significativas para ensaios de fadiga em alta temperatura do que para temperatura ambiente. A mais importante dessas considerações é a dependência do tempo que pode ser introduzida através de uma análise da taxa de deformação, frequência, tempos de permanência em um determinado nível de deformação (COFFIN JR., 1973). O tempo, por meio do fenômeno da fluência ou relaxação, redistribui os perfis de tensão e deformação e, portanto, os dados de entrada de tensão ou deformação serão alterados. Consequentemente, o tempo passa a ser um fator de extrema importância em ensaios de fadiga em alta temperatura.
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O principal objetivo de qualquer pesquisa na área de comportamento mecânico de materiais que trabalham em alta temperatura que é fortemente dependente do tempo, está em estabelecer um critério de falha e o conhecimento das tensões e deformações que se desenvolvem e levam o material a falha. Assim, se o comportamento dependente do tempo é importante, as condições de serviço reais devem ser cuidadosamente simuladas de modo que fatores importantes não sejam suprimidos.
com as condições de trabalho em alta temperatura real não é encorajadora. Por isso, uma forma de simular as condições reais de trabalho se fez necessário, sendo realizada por meio da introdução de tempos de permanência em um determinado nível de deformação. Esses tempos de permanência mostraram um efeito de redução de vida, quando comparados com os resultados de ensaios em ciclos ininterruptos sob as mesmas condições de ensaio de temperatura, taxa de deformação, amplitude de deformação (KREMPL; WUNDT, 1971; BERLING, 1969).
Os tempos de permanência são uma boa alternativa para simular condições de operação de equipamentos, pois, em uma partida operacional ou mudança da carga de operação podem existir situações que levam a tensões térmicas de tal magnitude que as deformações podem ultrapassar o limite de escoamento em locais de concentração de tensão. Após isso, um período de cargas permanentes acontece, e durante esse período, ocorre relaxação ou fluência nos locais deformados plasticamente. Após o período de carga permanente, pode haver descarregamento do sistema, completando o ciclo, ou seja, partida, operação e parada de máquina e tornar a ser repetido após uma nova partida. Assim, os tempos de permanência representam melhor do que os ciclos ininterruptos a vida de um componente empregado em um equipamento que trabalha em altas temperaturas (KREMPL E WUNDT, 1971). Os dois tipos de ciclo podem ser vistos na Figura 32.
Figura 32: Ondas ininterruptas e com tempos de permanência Fonte: Krempl e Wundt (1971)
Muitos estudos em aços inoxidáveis utilizando vários tipos de formas de onda foram publicados, como no caso do trabalho de Conway, Stentez e Berling (1975), que foi citado pela referência ASM (1985). Os autores estudaram o Aço inox AISI 304 à 650°C e concluíram que os tempos de permanência somente em tração tiveram um grande efeito na redução da vida em fadiga, bem mais pronunciado do que os efeitos com o formato de onda balanceado, onde são aplicados tempos de permanência tanto em tração quanto em compressão, e com tempo de permanência somente em compressão.
Pela natureza do ensaio, que é por controle de deformação, ocorrerá relaxação de tensão durante o tempo de permanência (KREMPL; WUNDT, 1971), conforme ilustrado na Figura 33:
Figura 33: Tensão de relaxação no tempo de permanência e comportamento tensão -deformação por controle de deformação com tempo de permanência em tração
Fonte: Krempl e Wundt (1971)
Como os limites de deformação são fixados, as tensões e a deformação inelástica irão variar de ciclo para ciclo. Também a forma da curva das histereses e o total de tensão de relaxação irão depender do número de ciclos. Krempl e Wundt (1971), observaram no trabalho de Manson, Halford e Spera (1969), que no final do ensaio, o material irá se romper ser qualquer deformação total e redução de área visível, pois, sucessivos ciclos mostram redução no pico de tensão reversa, compressão, e também para os picos de tensão em tração reduzindo os valores das tensões no início e no fim dos tempos de permanência com os decorrer dos ciclos (REES, 1987), conforme ilustra a Figura 34.
Figura 34: Relaxação de tensão com o decorrer dos ciclos Fonte: Rees (1987)