Universidade Salgado de OliveiraCurso de Engenharia de ProduçãoMateriais de Produção Industrial

Fluência

André Medina da FonsecaAndré Pina Lorentz

GuilhermeFabiano

Juiz de ForaSetembro – 2012

Fluência

Pode-se pensar pela curva tensão-deformação plástica que uma mesma tensão sempre produz mesma deformação, não importa quanto tempo a carga esteja

aplicada. Isto nunca é estritamente verdade e nem aproximadamente a verdade para elevadas temperaturas (Cottrell, 1981).

Introdução

O fenômeno denominado fluência se refere à variação da deformação com o tempo para uma tensão constante aplicada. Este fenômeno indesejável é um fator de redução da vida útil do material, pois através das deformações excessivas a utilização do material pode ser prejudicada ou seu uso inviabilizado. Segundo Evans e Wilshire (1985) a relevância técnica da fluência e ruptura por fluência destacou-se com o crescimento nas temperaturas de operação empregada em plantas de geração elétrica, instalações químicas e engenharia aérea.O fenômeno de fluência é observado em metais, cristais iônicos e covalentes e materiais semicristalinos e amorfos como vidros e polímeros. Existem diversos fatores que afetam as características de fluência dos materiais, como por exemplo, a temperatura de fusão, o módulo de elasticidade, tamanho de grão, temperatura ambiente e tensão. Evidentemente, quanto maior a tensão maior a deformação para um certo tempo. Também pode ser afirmado que a deformação por fluência não é linearmente dependente da tensão. Esta é uma característica dos materiais policristalinos (metais, rochas, gelo etc.), enquanto materiais amorfos (polímeros, vidro etc.) preservam a linearidade entre tensão e deformação para um dado tempo. O efeito da fluência aumenta com a temperatura – e este aumento é bastante acentuado – consequência de uma variação exponencial da viscosidade do material com a temperatura.

Comportamento geral da Fluência

O comportamento geral da fluência será feito baseado nas propriedades dos metais e posteriormente serão feitas comparações para os materiais cerâmicos e poliméricos. Um metal policristalino quando submetido a um carregamento uniaxial em tração à temperatura e cargas constante, exibe uma curva deformação-tempo caracterizada por três regiões distintas, fortemente dependentes das condições de tensão e temperatura. Com a aplicação da carga existe uma deformação instantânea que é essencialmente elástica e, num curto período de tempo, ocorrem ajustamentos plásticos adicionais nos pontos de tensão ao longo dos contornos de grão e de defeitos. Após estes ajustes iniciais, continua a haver uma deformação que progride lentamente com o tempo. A Figura 1 define a configuração normal da curva de fluência, e a região primária, secundária e terciária com ε0, εS, εf e tf

correspondendo respectivamente à deformação instantânea, a taxa estacionária, a deformação final e ao tempo de fratura.

Figura 1 – Gráfico da curva típica de fluência

Em principio, após a aplicação da carga em determinado nível de temperatura, o material apresenta uma deformação instantânea ε0, dando origem ao estágio primário ou transiente, no qual a taxa de fluência decresce com o tempo, e posteriormente atingindo um período de estado estacionário, em que a taxa permanece aproximadamente constante. Possivelmente, o parâmetro mais importante para o ensaio de fluência é a inclinação da porção secundária da curva de fluência. Com frequência essa é conhecida por taxa mínima ou taxa de fluência em regime estacionário (•εs). Este é o parâmetro de projeto de engenharia que é levado em consideração para aplicações de longo prazo. Continuando a aplicação da carga chega-se a um estágio terciário, com o aumento da fluência levando o material a um processo de fratura. Essa falha é conhecida por ruptura e é resultante das alterações microestruturais.

Fatores que afetam a fluência

Efeitos da tensão e da temperatura

Tanto a temperatura quanto o nível de tensão aplicada afetam as características da fluência. A influência da temperatura pode ser observada pela Figura 2.

Figura 2 – Dependência da fluência em relação à temperatura e à tensão aplicada. (Fonte: CALLISTER JR, 2002)

Segundo Cottrell (1981), para baixas temperaturas e tensões, ocorre somente a fluência primária e em elevadas temperaturas e tensões predomina a fluência terciária. Como pode ser observada na Figura 2, para os metais, a fluência, se torna importante apenas em temperaturas superiores a aproximadamente 0,4Tf (onde Tf é a temperatura de fusão do material). Abaixo desta temperatura a deformação permanece constante indefinidamente. Seja pelo aumento da tensão ou temperatura o seguinte será observado: • A deformação instantânea no momento da aplicação da tensão aumenta; • A taxa de fluência em regime estacionário é aumentada; • O tempo de vida até a ruptura é diminuído. A dependência da fluência em relação à carga aplicada pode ser vista na Figura 3.

Figura 3 – Dependência da fluência em relação à tensão aplicada. (Fonte: MARCZAK, 2004)

Nota-se que para uma mesma temperatura, quanto maior a tensão, maior a deformação para um determinado tempo. Além disso, a deformação por fluência (εc) não é linearmente dependente da tensão. Ou seja, quando a tensão é duplicada de 40 para 80MPa, εc aumenta mais que o dobro. Existem diversos fatores que afetam as características da fluência dos metais. Dentre eles estão a temperatura de fusão, o módulo de elasticidade e o tamanho do grão. Em geral, quanto maior a temperatura de fusão, maior o módulo de elasticidade, e maior o tamanho do grão, melhor será a resistência do material à fluência. Em relação ao tamanho do grão, grãos menores permitem maior escorregamento entre os contornos dos grãos, o que resulta em maiores taxas de fluência.

Mecanismos responsáveis pela deformação de fluênciaDe uma forma geral os mecanismos que tem maior aceitação para explicação do processo de deformação por fluência envolvem os seguintes aspectos: • Transporte de massa; • Escalagem e deslizamento de discordâncias; • Deslizamento de contorno de grão.

O transporte de massa resulta do movimento de defeitos pontuais orientados pelo campo de tensões sem envolver diretamente o movimento de discordâncias. Trata-se de um processo termicamente ativado, que pode resultar em um fluxo de átomo de uma região comprimida a uma região tracionada. Dependendo das condições de tensão e temperatura, o fluxo de defeitos pode ocorrer

principalmente através das redes ou dos contornos de grãos, tornado-se importante principalmente em temperaturas muito altas e em baixos níveis de tensão. Em condições de baixa temperatura (T <0,5Tf), o controle da deformação por fluência ocorre através do processo de deslizamento de discordâncias através de seus planos preferenciais. A Figura 4 ilustra como ocorre o movimento de discordância.

Figura 4 – Movimento de discordância. (Fonte: MARCZAK, 2004)

À medida que a deformação plástica aumenta, cresce a rede de discordâncias, induzindo a formação de florestas de discordâncias e ao fenômeno da intersecção, atuando como obstáculos na movimentação de outras discordâncias em seus respectivos planos de escorregamento. O fenômeno da intersecção compreende um mecanismo de interação responsável pela formação de degraus através de deslizamento cruzado, cujos movimentos ocorrem através do reticulado por ativação térmica conhecido como escalagem. No deslizamento de contorno de grão, a deformação ocorre com o movimento relativo entre grãos, através da ação de um componente cisalhante de tensão

atuando de forma descontínua e irregular, tornando-se mais efetiva com aumento da temperatura e redução da taxa de deformação.

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