Fluência

Teoria Completa

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.

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Exercício Resolvido #1

Concurso UNIRIO – Engenheiro de Mecânico - 2016

Uma das propriedades dos materiais é a fluência que está relacionada à

  1. Medida da capacidade de um material de absorver energia até a fratura.
  2. Capacidade de um material absorver energia quando deformado elasticamente e, após o descarregamento, recuperar essa energia.
  3. Medida da capacidade de um material de resistir à formação de uma marca permanente quando pressionado por outro material.
  4. Medida da capacidade de um material em resistir a uma alteração estrutural permanente, progressiva e localizada, produzida por tensões e deformações cíclicas.
  5. Deformação plástica que ocorre em qualquer tipo de material, decorrente da aplicação de uma carga constante em função do tempo e, normalmente, a temperaturas elevadas.
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Passo 1

Fluência é o nome dado a deformação plástica que o material sofre ao longo do tempo, quando submetido a uma carga ou tensão constante e a temperaturas elevadas.

Resposta

Letra: e)

Exercício Resolvido #2

Petrobras - 2011

Na seleção de aços para emprego em equipamentos de indústria petroquímica que operam em elevadas temperaturas (acima de 400ºC), qual é, tipicamente, a propriedade mais importante a ser observada?

  1. Temperabilidade
  2. Tenacidade à fratura
  3. Temperatura de transição dúctil – frágil baixa
  4. Resistência ao impacto
  5. Resistência à fluência
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Passo 1

Aços submetidos a altas temperaturas, maiores do que 40% da temperatura de fusão do aço, sobrem deformação por fluência, assim na seleção desses materiais para trabalhar com alta temperaturas devemos observar a resistência à fluência desse material.

Resposta

Letra: e)

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Quais são os três estágios da fluência?

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Passo 1

Fluência é a deformação do material quando submetido a uma carga ou tensão constante ao longo do tempo. Para que o fenômeno ocorra a temperatura deve ser maior do que 40% da temperatura de fusão do material. Há três estágios na fluência:

  1. Estágio I: Nessa fase há um alongamento inicial instantâneo do material, na qual a velocidade de fluência diminui ao longo do tempo, isto é, a taxa de fluência diminui continuamente ao longo do tempo.
  2. Estágio II: Nessa fase a velocidade de fluência é praticamente constante, pois isso, essa fase é considerada como fluência estacionária.
  3. Estágio III: Nessa fase a velocidade de fluência aumenta rapidamente com o tempo até a deformação de fratura, ou seja, até a ruptura do material.

Resposta

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Explique o que ocorre em cada estágio de fluência.

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Passo 1

Durante o estágio I ou fase primária o metal encrua até conseguir suportar a carga aplicada e a taxa de fluência diminui com o tempo, à medida que o encruamento torna a fluência (deformação) mais difícil, pois isso que nessa fase a velocidade de fluência diminui ao longo do tempo.

Passo 2

No decorrer do estágio II os processos recuperação envolvendo o movimento de discordâncias irá dificultar o encruamento do material, assim, a taxa de fluência constante nessa fase está relacionada ao equilíbrio entre os processos concorrentes de recuperação e encruamento. E nesse estágio onde teremos a menor taxa de fluência, também, a resistência a fluência do metal é máxima nesse estágio.

Passo 3

Ao longo do estágio III a taxa de fluência aumenta até a ruptura pois começa à estricção (empescoçamento) e, consequentemente, formação de cavidades particularmento no contornos de grão.

Resposta

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

No ensaio de fluência, a taxa de deformação no estágio II é um dos parâmetros a serem obtidos. Pode-se dizer que essa taxa de deformação, também chamada de taxa de fluência,

  1. aumenta linearmente com o aumento do tempo.
  2. não varia com a tempo.
  3. aumenta exponencialmente com o aumento da tensão aplicada.
  4. não varia com a tensão aplicada.
  5. aumenta exponencialmente com o aumento do tempo.
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Passo 1

No estágio II de fluência a taxa de fluência (deformação) é praticamente constante, isto é, há um aumento linear da deformação em relação ao tempo, conforme podemos notar na figura abaixo.

Resposta

Letra: a)

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Qual é o efeito da temperatura sobre a fluência?

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Passo 1

Para temperaturas abaixo de 40% da temperatura de fusão da liga, a liga apresentará uma deformação linear, mas a fluência secundária é insignificante, já que a temperatura é demasiadamente baixa para permitir a recuperação por difusão, isto é, após a deformação inicial não haverá deformação dependente do tempo, assim para temperatura abaixo de 40% da temperatura de fusão da liga não ocorrerá o fenômeno da fluência.

Já para temperaturas acima de 40% da temperatura de fusão da liga será observado o seguinte:

  • A deformação instantânea no momento de aplicação da carga aumento aumenta com o aumento da temperatura;
  • A taxa de fluência estacionária aumenta com o aumento da temperatura;
  • O tempo de vida do material até a ruptura diminui com o aumento da temperatura.

O gráfico abaixo representa a tensão em função do tempo de vida até a ruptura, ambos em escala logarítmica. Note que para uma mesma tensão aplicada quanto maior a temperatura menor será o tempo de vida do material.

Resposta

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

De acordo com o gráfico abaixo, qual é o efeito da tensão aplicada e da temperatura sobre a taxa de fluência estacionaria?

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Passo 1

Para mesma temperatura da liga, note que a taxa de fluência aumenta com o aumento da tensão aplicada e, consequentemente, com o aumento da taxa de fluência teremos uma diminuição da vida até a ruptura do material, conforme podemos observar na figura abaixo.

Note que com o aumento da temperatura para uma mesma tensão aplicada teremos um aumenta da taxa de fluência estacionária, conforme figura abaixo.

Resposta

Exercício Resolvido #8

Enade - 2008

A resistência mecânica dos metais pode ser reduzida com o aumento da temperatura de ensaio. Tendo em vista que a mobilidade dos átomos aumenta com a temperatura, pode-se concluir que processos controlados por difusão têm efeito significativo nas propriedades mecânicas a temperaturas elevadas.

Materiais expostos a tensões em altas temperaturas, como, por exemplo, rotores de turbinas de aeronaves, linhas de vapor de alta pressão e paredes de reatores nucleares, sofrem deformações permanentes dependentes do tempo, denominadas fluência. Ensaios de fluência são realizados em altas temperaturas para caracterização mecânica a quente dos materiais.

Considerando a curva típica de fluência apresentada na figura abaixo, assinale a opção correta.

  1. A constância da taxa de fluência na fase secundária está relacionada ao equilíbrio entre os processos concorrentes de encruamento e recuperação.
  2. Ensaios de fluência por compressão são mais apropriados para materiais dúcteis, pois, nesse caso, existirão amplificações de tensão e propagação de trincas.
  3. Os parâmetros mais importantes do ensaio são as inclinações da porção terciária, conhecidas como taxas mínimas de fluência.
  4. O parâmetro de Larson-Miller permite a determinação do mecanismo predominante para um material específico.
  5. O aumento da temperatura ou do nível de tensão no ensaio de fluência promove a redução da deformação inicial instantânea e o aumento no tempo de vida até a ruptura.
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Passo 1

A taxa de fluência constante no estágio II é devido aos processos de recuperação em equilíbrio com o processo de encruamento do material.

Resposta

Letra: a)

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