Ensaio de Fluência

Adaptado do material do prof. Rodrigo R. Porcaro.

• Fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase

constante, em função do tempo ;

• A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno;

• Ocorre devido à movimentação de falhas (como discordâncias);

• Limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura;

• É o fenômeno de deformação lenta, sob ação de uma carga constante aplicada durante

longo período de tempo a uma temperatura superior a 0,4 vezes a Temperatura de fusão

em Kelvin para o caso de metais

Aplicações

Trocadores de calor.

Turbinas.

Hélices.

Misturadores de gusa

(dessulfuração)

Lanças de Oxigênio (processos LD).

Eletrodos em banhos metálicos

fundidos.

Carros Torpedo.

Tubos que conduzem gases ou

líquidos aquecidos.

Metais e ligas estruturais sob altas

temperaturas.

Pinos, parafusos, buchas, porcas, em

estruturas aquecidas (fornos)

Etc

O Ensaio de Fluência

A duração do ensaio é muito variável:

Em geral, o tempo é superior a 1.000 horas;

O normal seria o tempo de ensaio ter a mesma duração esperada para a vida útil do

produto;

Como tempos de ensaio extremamente longos não são viáveis, usa-se a extrapolação a

partir de um ensaio mais curto.

Curva ε x t:

Deformação instantânea: Efeito do carregamento do corpo de prova, do tipo elástica

Estágio primário: onde a velocidade de fluência é rápida ocorre nas primeiras horas.

Velocidade de def. decrescente - encruamento

Estágio secundário: A taxa de fluência é constante. Estágio de duração mais longo.

Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação

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

Estágio Primário da Curva de Ensaios ou Fluência Primária:

- decréscimo contínuo da taxa de fluência (ε = Δε/Δt), isto é, a inclinação da curva

diminui com o tempo;

- este fato pode ser explicado pelo encruamento, ou seja, a deformação plástica vai se

tornando progressivamente mais difícil.

Estágio Secundário ou Fluência Secundária:

- taxa de fluência constante;

- a curva se apresenta com aspecto linear

- ocorre em função do equilíbrio entre os mecanismos de encruamento e a

recuperação.

- o valor médio da taxa de fluência secundária é chamado de taxa mínima de fluência

(εm).

taxa mínima de fluência: inclinação da curva no segundo estágio de fluência. Trata-se de

um parâmetro importante a ser considerado em projetos de componentes para aplicações

de longa duração, décadas (por exemplo, peças de reatores nucleares).

Estágio Terciário ou Fluência Terciaria:

- aceleração da taxa de fluência, que culmina com a ruptura do corpo-de-prova;

- o terceiro estágio ocorre para ensaios realizados sob cargas e temperaturas elevadas,

caso contrário não aparece;

- tem início do processo de fratura (separação de contornos de grão e a formação,

coalescimento e crescimento de trincas, o que reduz localmente a área do cdp e aumenta

o valor da tensão aplicada.

• tempo de ruptura: parâmetro importante para componentes de vida relativamente curta,

anos (como lâminas de turbinas para motores a jato).

• Quanto maior a temperatura e/ou a tensão maior a deformação final por fluência.

• Menor o tempo de vida do componente.

Creep strain = deformação sob fluência

Utilizando a equação anterior, tem-se:

20x103 = T.(20 + log tr)

20x103 = 873.(20 + log tr)

22,9 = 20 + log tr

log tr = 2,29, então, tr = 102,95 tr = 195 horas (≈ 8 dias)

Se a tensão aplicada é reduzida para 200 MPa, mas é mantida na mesma temperatura,

tem-se que o parâmetro de Larson-Miller é aproximadamente 22.103. Utilizando-se o

mesmo procedimento de cálculo, chega-se a tr = 158.489 horas (≈ 18 anos).

• 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

• Utilizando os resultados dos ensaios típicos de fluência pode-se construir um gráfico

tensão x temperatura para os materiais, onde se determina a tensão que causa uma

deformação aceitável de 1% em um determinado intervalo de tempo (1000h 10.000h ou

100.000h), dependendo do tipo de componente, para determinada temperatura

Por exemplo, uma turbina à jato que deve apresentar uma taxa mínima de fluência de

0,0001%, implica uma deformação de 1% a cada 10.000 horas de operação.

MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO SOB FLUÊNCIA

- Movimento de discordâncias*

- Recristalização

- Escorregamento de contornos de grão*

* São favorecidos com o aumento da temperatura.

FATORES QUE AFETAM AS PROPRIEDADES EM FLUÊNCIA

- TEMPERATURA DE FUSÃO

- MÓDULO DE ELASTICIDADE

- TAMANHO DE GRÃO CRISTALINO

Nota: Quanto maiores seus valores, melhores serão as propriedades de resistência à fluência.

Várias ligas metálicas foram desenvolvidas para apresentar uma elevada resistência à

fluência.

As características metalúrgicas normalmente associadas a ligas metálicas com alta

resistência à fluência são um elevado ponto de fusão, alto módulo de elasticidade, e

tamanho de grão grosseiro.

Alguns dos materiais metálicos resistentes à fluência são os aços inoxidáveis, os metais

refratários e as super-ligas à base de níquel ou cobalto e Ferro.

Nesses materiais, a resistência à fluência se dá tanto pelo efeito da solução sólida, como

pela presença de uma segunda fase dispersa na matriz que é insolúvel nas temperaturas

empregadas, que evita que ocorram os processos metalúrgicos causadores da fluência.

• Outro 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 cerâmicos em

geral frágeis (óxidos, sulfetos etc...) que tendem a quebrar e portanto reduzem a seção

resistente do componente.

• Em aços se adiciona cromo em teores crescentes para aumentar a resistência desses

materiais à oxidação em temperaturas crescentes.

• Desta forma aços para trabalho a alta temperatura em geral contém Mo de 0,5% até 1 %

(resistir à fluência) e Cr de 1,5% até 7% (para resistir à oxidação) antes de se optar por

aços de alta liga, do tipo inoxidável.

Exercícios:

1. O que é fluência em metais e ligas?

2. O que é um ensaio de fluência?

3. O que se deseja obter com a execução de um ensaio de fluência?

4. Que instrumentos e/ou equipamentos mais importantes são essenciais no ensaio de

fluência?

5. Explique os estágios que passa um corpo de prova no ensaio de fluência e desenhe um

gráfico x t (deformação instantânea x tempo) representativo.

6. Em que estágio calculamos a taxa de deformação aplicada? Como se calcula?

7. Explique qual a influência da temperatura e da tensão aplicada no ensaio de fluência.

8. Que características metálicas estão associadas aos materiais de alta resistência à fluência?

9. Como é calculado o tempo de ruptura nos ensaios de fluência?

10. O que é a constante “C” na fórmula de Larson-Müller? Como é determinada?