Aula-9

PMR - 2330

MATERIAIS

para Sistemas

Eletromecânicos

Aula 9

PROPRIEDADES MECÂNICAS

Vs

Efeito de concentradores de tensão:

A fadiga (e a grande maioria das falhas) é um processo que se inicia geralmente na superfície de um componente mecânico submetido a esforços. Dessa forma, os concentradores de tensão, como os cantos vivos e mudanças bruscas de seção são locais convidativos à nucleação e crescimento de trincas de fadiga.

O acabamento superficial (ex. rugosidade) da peça também influi no comportamento em fadiga. Acabamento superficial mal feito, como marcas de lixamento, esmeril, punção, etc. podem diminuir a vida em fadiga.

Efeito de concentradores de

tensão:

Pequenos

pontos de corrosão

têm o

mesmo efeito, pois podem servir como

concentradores de tensão e pontos de

nucleação das trincas.

Inclusões sólidas, precipitação de fases

frágeis, porosidades

, assim como outros

defeitos internos também podem ser

pontos de nucleação de trincas.

A fadiga é um tipo de falha mecânica que ocorre devido a esforços (tensões e deformações) flutuantes. Estes esforços geralmente são aleatórios como na figura abaixo.

Nos ensaios de fadiga são comumente empregados ciclos de tensão ou deformação “bem comportados” como os das figuras (A) e (B).

Ao se ensaiar vários corpos de prova em

fadiga, seja por

tração-compressão

, ou

flexão

alternada

, nota-se que,

quanto

maior a tensão apli-

cada (geralmente σ

)

menos ciclos de fa-

diga serão necessá-

rios para a ruptura

.

Constrói-se, dessa

forma, uma curva S-N

(

S

tress &

N

umber of

Cycles to failure)

Limite de fadiga (limite de endurecimento): É a

tensão (_Rl) abaixo da qual o material não rompe por fadiga.

Materiais que não apresentam esse limite bem definido, adota-se N=107_{ciclos para determinar} 



Influência da tensão média:

maior





menor vida em fadiga

FLUÊNCIA

DEFINIÇÃO:

Deformação permanente e dependente

do tempo que os materiais sofrem

quando são submetidos a uma carga

Falha por Fluência

 A falha por fluência em metais pode resultar

de uma excessiva deformação plástica do componente ou da ruptura desse

componente.

 Exemplos típicos de sistemas mecânicos

sujeitos à fluência: vasos de pressão, turbinas a gás e motores aeronáuticos; contudo, todos os sistemas operando as

altas temperaturas, sob consideráveis níveis de tensão, estão sujeitos ao aparecimento da fluência.

Falha por Fluência

 A analise microscópica dos metais

submetidos a fluência permite identificar diversos mecanismos pelas quais ela pode se manifestar:

1. movimentação de discordâncias ao longo

de planos de deslizamentos superando barreiras com a ativação térmica

2. ascensão de discordâncias conduzindo a

Falha por Fluência

3. deslizamento de contornos de grãos 4. difusão de vacâncias

 A presença de elementos de liga em

solução sólida ou na forma de precipitados influenciam o desenvolvimento desses

Ensaios de fluência e curva

de fluência

 Podem ser conduzidos com diferentes tipos de

tensão; porém é comum o uso de esforço de tração devido a facilidade de aplicação. Nesse ensaio, realizado a um determinado nível de temperatura e a uma carga ou tensão constante, pode-se determinar a velocidade de fluência, o nível do esforço de tração para ruptura e a

fluência total em todos esses estágios.

 A duração de tais testes pode variar de alguns

Representação do ensaio de

fluência

Esboço de um

aparelho utilizado

para o ensaio de

fluência

Curva de fluência

 Não considerando a deformação elástica inicial

(ε_o), a fluência pode ser de dois tipos:

1. Transitório, quando surge somente o primeiro

estágio

2. Contínuo, quando ocorrem os três estágios

Esses tipos podem ser característicos de um metal em função dos níveis de tensão e de

Propriedades da curva

de fluência

 Da curva de fluência se extrai uma propriedade importante para a definição do comportamento do material metálico em altas temperaturas: a velocidade mínima de fluência. Nesse caso, é importante indicar o

nível de tensão (em MPa) a uma dada temperatura (em

O_{C), que provoca uma determinada velocidade de}

fluência (em %/h).

 Para um dado nível de temperatura, a relação de "tensão versus velocidade mínima de fluência", colocada num diagrama. bi-logarítmico, apresenta-se comumente na forma de uma linha reta. Essa propriedade é extraída do estágio secundário da fluência

Representação de uma curva

de fluência típica:

Estágio I: taxa de fluência é decrescente. Estágio II: taxa de fluência é praticamente constante. Estágio III: a velocidade de fluência é crescente, conduzindo o corpo ensaiado à ruptura.

Tipos de curvas obtidas por este ensaio:

Deformação total Taxa de deformação

Determina-se com o ensaio de fluência: i) taxa de deformação no estágio II; ii) a vida em fluência (t_t), ou seja, o tempo total para a ruptura. Os materiais mais resistentes à fluência possuem maior vida em fluência.

A curva de fluência apresenta 3 estágios distintos:

- No estágio I a taxa de deformação do material diminui

com o tempo – predomina o fenômeno de encruamento

sobre os de amolecimento.

- No estágio II a taxa de deformação é constante com o

tempo – existe um equilíbrio entre encruamento e

amolecimento - consiste num importante parâmetro

retirado do ensaio, pois quanto maior essa taxa, menos resistente à fluência é o material.

- No estágio III, o processo de fluência já está bastante

avançado, os mecanismos de amolecimento predominam e o material acumula danos que o levarão à ruptura.



_{No estágio terciário, quando ocorre a ruptura,}

determina-se uma outra importante propriedade:

o

tempo necessário para provocar a ruptura

,

para

determinados níveis de temperatura e tensão

aplicados.



A relação

"tensão versus tempo de ruptura"

, à

temperatura

constante,

em

diagrama

bi-logarítmico, pode ser aproximada por uma

linha reta que contém pontos de inflexão quando

ocorrem sensíveis mudanças microestruturais no

material metálico devido a solicitação em altas

temperaturas.

Influência da tensão e da temperatura

no comportamento em fluência:

>

>

<

A e Q são ctes. do material. Q é a energia de ativação da fluência

Resistência à Fluência



A resistência à fluência

corresponde,

portanto,

ao nível de tensão que causa

uma determinada velocidade mínima de

fluência.



A resistência à ruptura por fluência

se

refere à

tensão que conduz a uma

determinada vida sob fluência

.



Ambas são definidas para

níveis

Ligas metálicas resistentes à

fluência

Os mecanismos usados para aumentar a resistência à fluência são semelhantes aqueles usados para aumentar a resistência mecânica a temperatura ambiente, ou seja:

 Endurecimento por solução sólida

 Endurecimento por solubilização e

precipitação (de partículas de segunda fase muito finas)

Exemplos de Máxima temperatura

de uso de alguns metais

Metal Temp.Fusão(o_{C) Máxima T}

uso(o_C) Máxima T na prática (o_C) Al 660 350 0,56 Cu 1083 630 - Ni 1453 880 0,74 Fe 1536 930 0,47-0,57 Ti 1668 1020 0,4 Zr 1852 1150 -

Máxima temperatura de uso de

alguns metais ( continuação)

Metal Temp.Fusão (o_C) Máxima T uso (o_C) Máxima T na prática (o_C) Cr 1900 1180 0,6 Hf 2222 1370 - Nb 2468 1550 0,54 Mo 2610 1650 - Ta 2996 1910 - W 3410 2160 0,76

Fluência para Cerâmicas

 Uma das vantagens das cerâmicas sobre os

metais é a sua habilidade em suportar temperaturas de serviço tão altas como 1650o_C.

 A resistência à temperatura das cerâmicas é

caracterizada por diversas propriedades térmicas como resistência à fluência, expansão térmica, condutibilidade térmica e resistência ao choque térmico.

Fluência para Cerâmicas

Alguns exemplos:

 Para cerâmicas estruturais, especialmente

Si₃N₄ prensado a quente, a taxa de fluência pode ser controlada ajustando a composição que definem as propriedades das fases dos contornos de grão.

 A resistência à fluência do SiC também é

afetada pelas fases intergranulares, mas as taxas de fluência desse material são baixas.

Fluência para Cerâmicas

 A capacidade calorífica e a condutibilidade térmica

também devem ser consideradas para aplicações de cerâmicas em altas temperaturas, pois essas duas propriedades indicam resistência a tensões térmicas. Para óxidos e carbonetos, a capacidade calorífica aumenta com a temperatura até 1000o_C.

Para temperaturas superiores, pouco efeito se nota na capacidade calorífica. Para os vidros e os vitro-cerâmicos, nota-se o mesmo efeito, ou seja a capacidade calorífica aumenta com o aumento da temperatura.

Fluência para polímeros e

compósitos

 Os plásticos e compósitos podem ser usados

numa larga faixa de temperatura. Porém quase todas as propriedades dos plásticos, incluindo as propriedades físicas, mecânicas, elétricas e químicas são dependentes da temperatura.

 Portanto, a temperatura é um parâmetro

Fluência para polímeros e

compósitos

 Polímeros: TERMOFIXOS & TERMOPLASTICOS  Os termofixos usualmente tem maior resistência

à temperatura que os termoplásticos, devido ao seu alto grau de ligações cruzadas.

 Entretanto, eles são substituídos pelos termoplásticos de engenharia resistentes a altas temperaturas, tais como o poli-éter-éter-cetona (PEEK) ou o poli-sulfeto de fenileno (PPS). Esses materiais tem a vantagem de serem moldáveis por injeção.

Fluência para polímeros e

compósitos

 Embora novas resinas epoxies possam ser

usadas a temperaturas contínuas de 100 a 180o_{C, seu uso na prática é limitado a 150}o_C.

 Poli-imidas termofixas são usadas em

composições para altas temp, reforçadas com fibras de grafite na faixa de 260 a 290o_C.

 Polímeros cristais líquidos sem reforço (LCPs),

baseados em poliésters aromáticos, possuem boas propriedades mecânicas até temperaturas da ordem de 300o_C.

Fluência para polímeros e

compósitos

 LCPs injetáveis ou extrudáveis são também

utilizadas no processamento de equipamentos resistentes a altas temperaturas e a produtos químicos e na confecção de componentes eletrônicos, como conectores e soquetes.

 LCPs, baseados em poliésters aromáticos

possuem um potencial para a confecção de compósitos avançados, principalmente usando grafita na forma de tecido, como reforço.