UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

Departamento de Engenharia Mecânica

Laboratório de Ensaios Mecânicos

Ensaio de Fluência

Elizabeth Smith

Geórgia Maria Bulhões Cortez

Victor Vanelli Moura Soares  

Maiko Rodrigo Furlan Teixeira

Natal, 21 Dezembro de 2010

INTRODUÇÃO:

Os ensaios mecânicos são realizados para se conhecer a estrutura de um determinado material sendo, geralmente, destrutivos. São denominados ensaios destrutivos aqueles que promovem a ruptura ou inutilização do corpo de prova. Alguns exemplos: ensaio de tração, de compressão, de ruptura por fluência, etc. Através deles, pode-se verificar como se comporta uma determinada peça ou componente quando lhe é solicitado um esforço mecânico. A escolha do ensaio mais adequado depende da finalidade do material, dos tipos de esforços que esse material irá sofrer e das propriedades mecânicas que se deseja medir. Segundo Callister (1991, p.45), "Materiais são freqüentemente escolhidos para aplicações estruturais porque eles possuem combinações desejáveis de características mecânicas".

A resistência mecânica de um material pode ser considerada uma propriedade de fundamental importância, pois reflete não só as características comportamentais (deformação, taxa de deformação e temperatura), mas também o estado do próprio material (composição química, tamanho do grão). Materiais são às vezes colocados em serviço a elevadas temperaturas e expostos a tensões mecânicas estáticas (por exemplo, rotores de turbinas em engenhos a jato e geradores de vapor d'água que experimentam tensões centrífugas, e linhas de vapor de água de alta pressão). Estes fatores muitas vezes limitam o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura. A necessidade de testar esses novos materiais, expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância do ensaio de fluência. Fluência é um fenômeno associado a essa relação tempo/temperatura e é normalmente um fenômeno indesejável e às vezes o fator limitante na vida de uma parte. Ela é observada em todos os tipos de materiais; para metais ela só se torna importante para temperaturas maiores do que cerca de 0,4 Tm ( Tm = temperatura absoluta de fusão). Polímeros amorfos, que incluem plásticos e borrachas, são especialmente sensíveis à deformação por fluência.

DESENVOLVIMENTO:

Ao estudar a teoria da resistência dos materiais aprende-se que materiais dúcteis atravessam dois regimes antes da ruptura, o elástico e o plástico, sendo que os dois regimes são separados pelo ponto de escoamento do material. No primeiro regime as deformações não são permanentes, permitindo que os mesmos voltem ao seu tamanho inicial sem nenhuma deformação aparente na estrutura. Quando se ultrapassa o ponto de escoamento, atinge-se o regime plástico, onde as deformações não podem ser revertidas como no primeiro caso. Em estudos sobre fluência percebe-se que materiais submetidos a esforços inferiores a tensão de escoamento podem adquirir deformações de natureza plástica. De acordo com o livro “Projeto de máquinas – uma abordagem integrada” tem-se que para materiais ferrosos a taxa de fluência aumenta à medida que se atinja uma faixa entre 30 a 60% da temperatura de fusão do material. Portanto materiais com baixas temperaturas de fusão podem exibir fluências significativas na temperatura ambiente.

A fluência somente ocorre devido às falhas existentes nas estruturas cristalinas dos materiais, e são intensificadas com o aumento da temperatura. A temperatura também afeta a velocidade com que a fluência ocorrerá. Quanto maior a temperatura mais rápida se dará a deformação plástica.

Este fenômeno é explicado da seguinte maneira: quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante ou quase constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material. A velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura. A temperatura é um fator importantíssimo nesse processo (0,4 vezes a temperatura de fusão em Kelvin). Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas, já que os metais podem sofrer uma deformação permanente abaixo do seu limite elástico enquanto em uso. E isto poderia acarretar grandes prejuízos.

A circunstância em que ocorre a fluência nos materiais é devido à movimentação de falhas, que sempre existem na estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem, conseqüentemente não haveria deformação plástica antes do limite de escoamento. Alguns metais exibem a uma temperatura ambiente, esse comportamento, já outros materiais, como por exemplo, o molibdênio, resiste à fluência até uma temperatura da ordem de 800 C.

O ensaio de fluência leva em consideração o tempo e a temperatura a qual é submetido o metal estudado. O corpo de prova é submetido a um esforço por um tempo determinado (o ensaio pode levar muitas horas), o motivo de tal feito é que quando uma peça de avião está em uso, ela é solicitada por um longo tempo. Quanto maior a temperatura, maior será o ensaio de tração. O controle da temperatura é rigoroso nesse tipo de ensaio e é medida em dois ou três pontos, preferencialmente por meio de pirômetros ligados ao corpo de prova por termopares aferidos, de pequeno diâmetro.

Segundo Souza (p.202), "os ensaios que envolvem as quatro variáveis (tempo, tensão, temperatura e deformação) podem ser divididos em três tipos: ensaio de fluência, ensaio de ruptura por fluência e ensaio de relaxação". No ensaio de fluência, mantém- se constantes a carga (ou a tensão) e a temperatura, medindo-se o tempo de ruptura, podendo-se ainda medir a deformação ao longo do tempo em certos casos. O ensaio de relaxação é o inverso do primeiro, ou seja, mantém-se a temperatura e uma certa deformação constantes, e mede-se a queda da tensão inicialmente aplicada para obtenção da deformação, com o decorrer do tempo. No ensaio de ruptura por fluência, o ensaio é levado até a ruptura do material, medindo-se o tempo de ruptura, podendo-se ainda medir a deformação ao longo do tempo em certos casos.

As etapas do ensaio de fluência são as seguintes: um corpo de prova é colocado no forno preso a um extensômetro; ele irá medir a deformação em relação ao tempo. No forno, o corpo de prova terá aquecimento prévio (figura n1); é importante que o corpo de prova não sofra superaquecimento. Durante o aquecimento são usados pirômetros para fazer a leitura da temperatura. Eles são ligados ao corpo de prova por termopares aferidos de pequeno diâmetro. São escolhidos dois a três pontos na peça para fazer essa verificação. O ensaio pode durar muitas horas e precisa haver um controle rígido sob a temperatura e tensão aplicada.

Corpo de prova. Figura 1

Vendo a figura número 2 vemos quena região primária o material encrua, tornando-se mais rígido, e a taxa de crescimento da deformação com o tempo diminui. Na região secundária a taxa de crescimento é constante (estado estacionário), devido a uma competição entre encruamento e recuperação. Na região terciária ocorre uma aceleração da deformação causada por mudanças microestruturais tais como rompimento das fronteiras de grão.

Figura 2

O fenômeno da fluência consiste no acúmulo lento e progressivo de deformação ao longo do tempo, manifestando-se em todos os sólidos cristalinos em condições favoráveis de temperatura e tensão [1]. A importância técnica do fenômeno de fratura por fluência tornou-se evidente a partir da metade do século, sendo reconhecida como um dos maiores problemas da área industrial, devido ao crescente nível de exigência das condições de operação empregadas em usinas de geração de energia, instalações químicas e em componentes estruturais desenvolvidos junto às indústrias aeroespaciais. Temperaturas elevadas aumentam a capacidade de movimentação de discordâncias e podem ativar outros mecanismos responsáveis pelo processo de deformação, como a possibilidade de operação de novos sistemas de deslizamento e a deformação localizada ao longo dos contornos granulares. As condições ambientais, a exemplo dos meios agressivos, exercem uma forte influência na grande maioria das ligas, principalmente quando conjugadas com processos que envolvem a instabilidade metalúrgica, conduzindo um componente estrutural a uma possível falha de forma prematura.

CONCLUSÃO:

De uma forma geral, em relação à fluência e as variáveis do fenômeno vemos que quanto maior a temperatura de fusão, maior o módulo de elasticidade e maior o tamanho do grão, melhor será a resistência do material a fluência.

Em relação ao tamanho do grão, grãos menores permitem maior escorregamento entre os contornos de grãos, o que resulta em melhores taxas de fluência. A importância desta característica nos materiais é decisiva, tendo em vista que certos componentes não podem falhar; precisam ser seguros. Exemplos: foguetes, aviões a jato, instalações de refinarias de petróleo, equipamentos de indústria química, instalações nucleares, cabo de alta tensão etc. nos quais os esforços são grandes e as temperaturas de trabalho oscilam em torno de 1000 ºC.

REFERÊNCIAS:

[1] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, Surface Engineering,v.5, Philadelphia, PA, 1996.

[2] SOUZA, Sérgio Augusto de, Ensaios Mecânicos de materiais metálicos. Fundamentos Teóricos e Práticos, 5. ed. São Paulo, Edgard Blücher, 1982.

[3] William D. Callister, Jr. - John Wiley & Sons, Inc. MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING, An Introduction, , New York, NY, 1991.

[4] Norton R.L.; Projeto de Máquinas - Uma Abordagem Integrada, Bookman. 2. ed. 2004

[5] Creep and creep testing. Disponível em: <http://www.twi.co.uk/content/jk81.html>. Acessado em: 19 de dezembro de 2010.

[6] Aula 14. Ensaio de fluência. Telecurso profissionalizante. Disponível em:<http://www.scribd.com/doc/3969888/Aula-14-Ensaio-de-fluencia>. Acessado em: 20 de dezembro de 2010.

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