Fluência
Fluência é a deformação permanente que ocorre em
um material em função do tempo, quando o mesmo
está sujeito a cargas (ou tensões) constantes em
temperaturas elevadas (T > 0,4TM).
# carga (ou tensão) constante
# temperatura constante
# deformação plotada em função do tempo (geralmente
1000h=42 dias ou vida útil esperada do material)
Estágios da fluência
1. Deformação instantânea, principalmente elástica
2. Fluência primária: ocorre alongamento, mas a
velocidade de fluência decresce com o tempo –
endurecimento por deformação
3. Fluência secundária: taxa de deformação é
constante – endurecimento + recuperação
4. Fluência terciária: grande taxa de deformação até
a fratura devido formação de trincas, separação
de contorno de grão, pescoço, etc. Geralmente o
teste de fluência é interrompido antes de chegar
no estágio III.
Estágios da fluência
1. Deformação instantânea, principalmente elástica
2. Fluência primária: ocorre alongamento, mas a
velocidade de fluência decresce com o tempo –
endurecimento por deformação
3. Fluência secundária: taxa de deformação é
constante – endurecimento + recuperação
4. Fluência terciária: grande taxa de deformação até
a fratura devido formação de trincas, separação
de contorno de grão, pescoço, etc. Geralmente o
teste de fluência é interrompido antes de chegar
no estágio III.
Parâmetros da fluência
O estágio secundário da fluência é o mais longo e
importante. A taxa de fluência no estado
estacionário para aplicações em vida longa é:
A inclinação da curva = velocidade de fluência
Outro parâmetro importante na situação de
fluência em vida curta é o tempo de ruptura tf.
Efeitos da tensão e temperatura
Com o aumento
temperatura:
da
tensão
ou
• A deformação instantânea aumenta
• A taxa de fluência no estado estacionário
aumenta
• O tempo de ruptura decresce
Efeitos da tensão e temperatura
Efeitos da tensão e temperatura
Efeitos da tensão e temperatura
Ni5.5Al8.5Cr0.7Mo3Ta1Ti10W (wt.%)
1000 ºC sob ar
ε/t
logε/t
Efeitos da tensão e temperatura
A dependência da tensão/temperatura na taxa de
fluência no estado estacionário´pode ser descrito
por:
Qc ⎞
⎛
ε& S = K2 .σ .exp⎜ − ⎟
⎝ RT ⎠
n
K2
n
Qc
R
T
constante
inclinação da curva
energia de ativação para fluência
constante universal dos gases
temperatura absoluta
Critérios para tempo de vida em fluência
* para temperaturas e/ou tensões elevadas:
tr => tempo de ruptura por fluência.
Ni-C
* para componentes com vida mais longa:
ε& S
=> taxa de fluência no estágio estacionário.
Ni-C
Mecanismos de fluência
Diferentes mecanismos são responsáveis pela
fluência em diferentes materiais e sob diferentes
cargas e condições de temperaturas:
• Movimento das discordâncias
• Escalagem das discordâncias
• Deslizamento no contorno de grão
• Formação de subgrãos devido a ascensão de
discordâncias
• Difusão por contorno de grão
• Difusão de lacunas
Difusão
Deslizamento e escalagem de
discordâncias
Exemplo: Os aços austeníticos possuem maior
energia de difusão de lacunas que os aços
ferriticos, sendo portanto um dos fatores que os
torna mais resistentes a fluência que os aços
ferriticos.
Um refino de grão pode ser prejudicial a
resistência a fluência, o inverso observado para a
resistência a temperatura ambiente.
Mecanismos de fluência
σ0 ≅
G
20
Tensão de cisalhamento teórica
Mecanismos de fluência
Mecanismo de deslizamento de discordâncias
ε& S = ε& 0 exp ⎛⎜ −
⎝
S=Gb/l
k
T
a
b
S −σ ⎞
⎟ . ba
kT ⎠
tensão de escoamento no zero absoluto
constante de Boltzman
temperatura absoluta
área de ativação
vetor de Burger
Mecanismos envolvendo difusão
Mecanismo por escalagem de discordâncias
Gb ⎛ σ ⎞
ε& S = KDV
⎜ ⎟
kT ⎝ G ⎠
n
Mecanismo de transporte de matéria por difusão
Coble
Nabarro-Herring
ε& S , C = K C
δ D Bσ Ω
d 3 kT
ε& S , NH = K NH
DV σ Ω
d 2 kT
Kíndice
constantes
DV
coeficiente de difusão no volume dos grãos
DB
coeficiente de difusão nos contornos de grão
G
módulo de cisalhamento
b
vetor de Burger
δ
Ω
espessura do contorno de grão
d
volume atômico
tamanho de grão
k
constante de Boltzman
T
temperatura absoluta
Extrapolação de dados
* Parâmetro de Larson-Miller (LMP)
LM P = T ( C + log t r )
e
L M P = K 1 log σ + K 2
C, K1, K2 constantes (C ~ 20)
T
temperatura absoluta
tr
tempo de ruptura por fluência
σ
tensão aplicada
L M P = K 1 log σ + K 2
LM P = T ( C + log t r )
Extrapolação de dados
Aplicações de ligas em altas temperaturas
(Turbina-jatos, aviões hipersônicos, reatores
nucleares, etc)
A fluência é geralmente minimizada em
materiais com:
• Alto ponto de fusão
• Alto módulo elástico
• Grande tamanho de grãos (inibe o deslizamento
pelos contornos de grãos - solidificação
unidirecional, pecas monocristalinas)
Os materiais resistentes a fluência são:
• Aços inoxidáveis
• Metais refratários (contendo elementos de alto
ponto de fusão como Nb, Mo, W, Ta)
• Superligas (a base de Co, Ni – geram
endurecimento por solução sólida e fase
secundária, que diminui difusividade e mobilidade
das discordâncias)
Técnicas de ensaio de fluência
Temperatura de ensaio:
Técnicas de ensaio de fluência
Corpo de prova:
seção circular ou retangular (semelhante ao
CP´s do ensaio de tração)
Aquecimento do corpo de prova:
Uniforme até atingir a temperatura de ensaio.
Pode ser feito por resistência elétrica, radiação
ou indução.
Extensômetros:
Apenas os braços de fixação devem ficar
dentro da região aquecida.