Introdução. Um produto construído para suportar esforço estático abaixo de seu limite elástico vai durar para sempre? Não!

FLUÊNCIA

EM METAIS

Introdução

Um produto construído para suportar esforço estático abaixo de seu limite elástico vai durar para sempre?

Não!

Metais tendem a ter valores mecânicos tais

como dureza, escoamento e resistência a tração

reduzidos proporcionalmente ao aumento da

temperatura a que estejam submetidos.

Introdução

Materiais são submetidos a operações por longos períodos de tempo sob condições de elevada temperatura e tensão mecânica estática.

É importante caracterizar o comportamento

mecânico que ocorre nessas situações, já que

as propriedades dos metais sofrem grande

variação em função da temperatura e do

tempo de exposição a essas condições.

Introdução

Fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante em função do tempo. A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno.

A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais.

Não haveria fluência se estas falhas não existissem.

Introdução

Objetivo do Ensaio: determinação da vida útil do material nessas condições.

A fluência é particularmente importante em aplicações que envolvem temperaturas elevadas.

(valores acima de T 0,4 x Temperatura de fusão)

O Tempo e a Temperatura

Os ensaios mecânicos, geralmente são realizados num curto espaço de tempo, isto é, os corpos de prova são submetidos a um determinado esforço por alguns segundos ou minutos.

Em condições reais de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo.

Em algumas situações, os produtos apresentam deformação permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico.

O Tempo e a Temperatura

Essas deformações ocorrem frequentemente em situações de uso do produto que envolvam altas temperaturas.

Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da deformação.

Ensaio de Fluência

É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante em um corpo de prova, de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante.

O tempo de aplicação da carga é principalmente em função da vida útil esperada do componente que será fabricado com o material submetido ao ensaio.

As deformações que ocorrem no corpo de prova são medidas em função do tempo de realização do ensaio e indicadas na forma de deformação x tempo.

Ensaio de Fluência

O equipamento para a realização deste ensaio permite aplicar uma carga de tração constante ao corpo de prova.

O corpo de prova fica dentro de um forno elétrico, de temperatura constante e controlável.

Um extensômetro é acoplado ao equipamento, para medir a deformação em função do tempo.

Os extensômetros são instrumentos de precisão, por isso são ligados ao corpo de prova por meio de hastes de extensão.

Ensaio de Fluência

• Carga de tração constante

• Forno elétrico a temperatura constante e controlável

• Extensômetro para medir deformação em função do tempo

• Tempo de aplicação de carga estabelecido em função da vida útil esperada do componente

Preparação do Ensaio

O corpo de prova passa por um período de aquecimento, até que se atinja a temperatura estabelecida.

Na prática, o corpo de prova é aquecido até 10ºC abaixo da temperatura do ensaio, por um período de 1 a 4 horas, para completa homogeneização da sua estrutura.

O aquecimento pode ser feito por meio de resistência elétrica, por radiação , etc.

Equipamento utilizado no ensaio de tração a

quente: Máquina Universal de Ensaios

Aspecto da Ruptura por Fluência

Deformação Instantânea: Efeito do carregamento do corpo de prova (tipo elástica).

Estágio Primário: Velocidade de fluência rápida (ocorre nas primeiras horas). Decréscimo na taxa de fluência – aumento da resistência à fluência pelo encruamento.

Estágio Secundário: Taxa de fluência constante. Estágio de duração mais longo. Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação. Valor médio da taxa de fluência = taxa mínima de fluência.

Estágio Terciário: Aceleração na taxa de fluência, estricção seguido de ruptura.

Curva Típica do Ensaio de Fluência (3 estágios)

Efeito da Tensão e da Temperatura no Comportamento à Fluência

Quanto maior a temperatura e / ou a tensão, maior a deformação final por

fluência que ocorre em menor tempo.

Com isso, menor o tempo

de vida do componente.

Ensaio em 3 Categorias

• Ensaio de Fluência propriamente dito

• Ensaio de Ruptura por Fluência

• Ensaio de Relaxação

Ensaio de Fluência Propriamente Dito

Consiste em aplicar uma determinada carga em um corpo de prova, a uma dada temperatura, para avaliar a deformação que ocorre durante a realização do ensaio.

Em geral, o tempo de ensaio é superior a 1.000 horas.

O normal é o tempo de ensaio ter a mesma duração esperada para a vida útil do produto.

Ensaio de Fluência Propriamente Dito

Extrapolação: o ensaio é realizado durante um tempo mais curto e baseado na informação desse pequeno tempo é feita estimativa do comportamento do material para um tempo maior.

Ensaio de Ruptura por Fluência

É semelhante ao anterior, só que neste caso os corpos de prova são sempre levados até a ruptura pelo uso de cargas maiores.

• Os resultados obtidos no ensaio são:

Tempo para a ruptura do corpo de prova;

Medida da deformação;

Medida da estricção (em alguns casos).

Tempo de duração: aprox. 1000 h.

Ensaio de Ruptura por Fluência

Gráfico log. (tensão x tempo até a ruptura)

• Os ensaios de fluência tendem a ser muito longos.

• A relação da tensão aplicada e o tempo até a ruptura em escala logarítmica tendem a ser

retas.

• Realiza-se ensaios em tensões altas cuja duração do ensaio tende a ser pequena e se extrapola as retas para valores de tempo

maiores.

Ensaio de Relaxação

O ensaio de relaxação é feito mantendo a deformação constante, por meio da redução da tensão aplicada ao corpo de prova ao longo do tempo.

O resultado é a queda da tensão ao longo do tempo, que mantém a velocidade de deformação constante, num dado valor.

A duração do ensaio é muito variável:

• 1000 a 2000 horas

Ensaio de Fluência

Resistência à Fluência: é definida como a tensão a uma determinada temperatura que produz uma taxa mínima de fluência (d /dt) de por exemplo 0,0001 por cento/hora ou 0,001 por cento/hora.

Resistência à Ruptura: refere-se à tensão a uma

determinada temperatura que produz uma vida

até a ruptura de 100, 1000 ou 10000 horas.

Tensão que causa uma deformação de 1% em 100.000h (ou em 10.000h ou 1000h)

Em geral a fluência que ocorre no estágio primário é rápida

(algumas horas) e seu valor fica próximo a 1%.

Essa deformação para a grande maioria das aplicações é

considerada desprezível

Resultados de ensaios de fluência:

Pode-se construir o gráfico tensão x temperatura, onde se

determina a tensão que causa uma deformação aceitável de 1% num determinado intervalo de tempo (1.000h, 10.000h ou 100.000h) para determinada temperatura

Efeitos da Alta Temperatura

• O efeito degradante que atua sobre os materiais quando expostos à alta temperatura, além da fluência, é a oxidação superficial.

• A reação química do material da superfície com o meio forma compostos frágeis (óxidos, etc...) que tendem a quebrar e portanto reduzem a seção resistente do componente.