SEMINARIO DE FLUÊNCIA
SELEÇÃO DE MATERIAIS RESISTENTE A FLUÊNCIA
Paulo Telles Lucas Lopes
Seleção de Materiais Nesta última década, a pesquisa científica e tecnológica, vem assumindo novas formas no sentido de uma concepção sistêmica e integrada. O que mais chama atenção nesse processo, no campo dos materiais, é a grande variedade de descobertas de propriedades dos novos usos e da variedade de aplicações desenvolvidas. Há um abandono do multiuso – um mesmo material para vários produtos – no sentido de uma especialização maior – várias opções de material para um mesmo produto.
FLUÊNCIA •A integridade estrutural de componentes submetidos a temperaturas
elevadas (maior que 40% da temperatura absoluta de fusão) é afetada diretamente pelo seu comportamento em relação à fluência. Embora a fluência possa ocorrer em qualquer temperatura acima do zero absoluto, tradicionalmente está associada à deformação plástica dependente do tempo a temperaturas elevadas. O mecanismo de fluência é um processo lento e contínuo dependente da temperatura, tensão, e do tempo, e pode fazer com que os materiais mesmo sobre carregamento constante sofram deformações plásticas e eventualmente venham a falhar (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008) (KASSNER, 2009) (FURTADO e MAY, 2004). •A fluência pode ser definida como um fenômeno termo-ativado,
dependente diretamente do tempo no qual um componente se deforma sobre tensão constante ou variável (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).
Curvas de fluência
•Ensaios de fluência para levantamento das curvas podem ser
realizados a carga constante ou a tensão constante. Por facilidades experimentais, a maioria dos ensaios de fluência dos aços são realizados com carregamento e temperatura constantes. • Os resultados dos testes podem então ser plotados como curvas
de fluência, e representam graficamente a dependência entre a deformação medida e um intervalo de tempo. Na Figura 1.0, é possível visualizar três curvas de fluência a carregamento e temperatura constante, e também suas respectivas taxas de fluência, onde e é a deformação e t o tempo (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).
Curvas de fluência Uma associação Usiminas e Nippon Steel
Figura 1.0 (a), (b), e (c) curvas de fluência de aços a carregamento e temperatura constantes (d), (e), e (f) as taxas de fluência em função do tempo para as respectivas curvas (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).
Curvas de fluência
• Observando a Figura 1.0 (a), pode-se perceber 3 estágios de
fluência, o estágio primário ou transiente, o estágio secundário ou estado estacionário, e o estágio terciário ou de fluência acelerada. Estes estágios surgem após uma deformação inicial muito rápida que acontece após o carregamento, conforme Figura 1.0 (a), quando a temperatura do teste é elevada, ou a uma alta temperatura homóloga. A deformação é composta por deformações elásticas e também plásticas, dependendo da tensão aplicada (KASSNER, 2009) (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).
Curvas de fluência •No primeiro estágio, a taxa de fluência , decresce com o tempo, como
pode ser observado na Figura 1.0 (d). Isso é devido ao encruamento do material ou a uma diminuição das discordâncias livres ou móveis. Logo, este estágio é caracterizado por uma velocidade de deformação decrescente.
•No segundo estágio, a taxa de fluência é constante, conforme Figura
1.0 (d). Esta taxa constante é atribuída a um balanço entre a taxa de geração de discordâncias, contribuindo para o encruamento do material, e a taxa de recuperação, contribuindo para o aumento da tenacidade. Em elevada temperatura homóloga , a fluência envolve principalmente a difusão e por isso a taxa de recuperação é alta o suficiente para balancear o encruamento. •O terceiro estágio, a taxa de fluência aumenta com o tempo até a
ruptura no tempo , conforme Figura 1.0 (a). Sobre carregamento constante, a tensão é crescente à medida que o processo de fluência ocorre e há um decréscimo da secção transversal, o que leva a uma grande influência do aumento da tensão sobre a taxa de fluência.
Medidas de fluência •Curvas de fluência são a única maneira lógica e completa
de se tratar o problema, mas são complicadas de se realizar e caras –Dificuldade de se ter todas as condições (exemplo curvas para vida de 20 anos) -> utilização de taxas de fluência obtidas para ensaios de 1000h (6 semanas)
•Efeito da temperatura de tensão.
O tamanho e a forma das curvas dos três estágios de fluência podem variar dependendo das condições de temperatura e carregamento do teste. Na Figura 1.3, pode-se observar esta dependência. O fim de cada curva representa o ponto onde houve a ruptura por fluência. Com aumento da tensão e temperatura, o tempo para a ruptura e a duração do segundo estágio diminuem, mas a elongação total aumenta (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).
Natureza da fluência •A temperatura em que a fluência deve ser levada em conta
depende dos critérios de projeto
•Como em metais a fluência depende de mudanças na
microestrutura (ligada a autodifusão) uma aproximação inicial pode ser feita com base na temperatura de fusão (~0,4Tf – em Kelvin)
Tf
•Materiais normalmente devem ser utilizados a menos de 2/3 de
Natureza da fluência •Mecanismos de endurecimento úteis para fluência:
– Solução sólida – Precipitação – Até 0,25 Tf trabalho a frio (normalmente não é importante) •A partir de 1/3 Tf endurecimento por trabalho a frio não é
mantido (recuperação controla o processo)
•Fluência primária ou secundaria não levam a fratura •Ruptura -> Fluência terciária -> mudança de secção e/ou
recristalização gerando trincas intergranulares:
– Ponto triplo: Encontro de três grãos (concentrador de tensões) -> menor temperatura e maior tensão – Cavitação: formação de microporosidade no contorno
Mecanismos de fluência
•Difusão de átomos e lacunas pelo interior dos grãos (Nabarro-
Herring)
•Difusão de átomos e lacunas pelos contornos de grão (Coble); •Deslizamento de discordâncias; •Movimentação de discordâncias por escalagem; •Deslizamento de contornos de grão.
Desenvolvimento de materiais resistentes à fluência •Ponto de Fusão
– Deseja-se elevado ponto de fusão Fe fator
– Maioria das ligas resistentes à fluência são a base de Ni e (médio ponto de fusão) -> ponto de fusão não é o único importante e pode ser um problema em alguns casos (manufatura, resistência a oxidação-> Nb, Mo, W, Ta)
– Nb, Mo, W, Ta usados na forma de fios e chapas em atmosfera controlada (lâmpadas, fornos)
Desenvolvimento de materiais resistentes à fluência •Estrutura da rede
– As melhores ligas são CFC -> ligada aos defeitos e coeficiente de difusão. falhas
a
– CFC -> estrutura compacta ABCABC -> caso real com de empilhamento – Redução da energia de falha de empilhamento -> melhora resistência à fluência
Desenvolvimento de materiais resistentes à fluência •Solução sólida
–Elementos em solução sólida aumentam a resistência à fluência –Efeito endurecedor não é muito importante –Normalmente os elementos de liga são adicionados mais com intuito de melhorar a resistência à corrosão que endurecer a matriz •Trabalho a frio
por
–Aumenta a resistência a fluência, mas o efeito não persiste longo tempo acima de 0,4Tf
Desenvolvimento de materiais resistentes à fluência •Endurecimento por segunda fase
–É o método mais importante para aumentar a resistência à Fluência •Dificultam a movimentação de discordâncias •Dificultam a recuperação (ancoramento de
são
discordâncias) –Tamanho e espaçamento dos precipitados importantes (ponto ótimo) Partículas muito pequenas
Muito espaço livre
Desenvolvimento de materiais resistentes à fluência •Representação esquemática
1 – Metal puro 2 – Solução sólida 3 – Strain-Ageing 4 – Precipitado de 1 tipo 5 – Precipitados de dois tipos (duas temperaturas)
Temperatura de serviço de componente de engenharia •0 - 150˚C
– Único metal com restrições é o Chumbo que pode sofrer fluência à temperatura ambiente – Problema para polímeros
Temperatura de serviço de componente de engenharia •150 - 400˚C
–Alguns polímeros podem ser utilizados –Ligas de magnésio aplicadas até 200˚C –Pistões de Al em motores diesel operam até 250˚C –Ligas de cobre aplicadas até 350˚C –Aços ao carbono são aplicados até 425˚C
Temperatura de serviço de componente de engenharia •400 - 600˚C
–Principais materiais: Ligas de titânio e aços baixa liga –Em aplicações de menor custo e onde a maior densidade é tolerável se aplicam aços baixa liga (elemento de liga necessário a parti de 400˚C, o principal é o Mo + Cr, V)
Temperatura de serviço de componente de engenharia •575-650˚C
–Nesta faixa de temperatura a oxidação pode se tornar mais importante que a fluência –Adição de ao menos 8% de Cr ao aço para evitar descamação –Entre os aços inoxidáveis: •Os martensíticos são mais baratos, mas... •Os austeníticos tem melhor combinação entre propriedade de resistência a oxidação e a fluência
Temperatura de serviço de componente de engenharia •650 - 1000˚C
–Três grupos de metais •Aços inoxidáveis austeníticos (normalmente até 750˚C) •Ligas a base de níquel (até 1000˚C 100h 200MPa) – Ligas com grande complexidade metalurgica – Forte dependência da forma de solidificação. – MARS, Inconel, Incaloy •Ligas a base de cobalto –Performance inferior as superligas de Ni
Temperatura de serviço de componente de engenharia •Acima de 1000˚C
–Metais refratários •W, Ta, Nb, Mo (disponíveis comercialmente) •Elevada densidade •Utilizados somente em atmosferas protetoras –Cerâmicas
oxidar)
•Cerâmicas de engenharia •Frágeis e sujeitas a choque térmico (carbetos podem
Seleção de materiais para resistência à fluência •Definir temperatura, tensão e tempo de vida
–Para reduzir custo é necessário reduzir algumas das exigências •Reduzir temperatura pode reduzir eficiência de motores, por exemplo. •Reduzir tensões pode geral demasiado aumento de peso •Reduzir tempo de vida implica em aumento da manutenção e tempo parado –Maior problema encontrado -> disponibilidade de dados e extrapolação pouco confiável
FINALIZANDO...
Mapa de mecanismos de deformação Deformação pode ser resultado de diferentes mecanismos (necessidade de conhecer o dominante)
O conceito de um mapa com os mecanismos de deformação foi proposto por Ashby (1972), com base nos seis mecanismos de deformação. Figura 4.6 Exemplo esquemático de um mapa de deformações (ABE, KERN, e VISWANATHAN, 2008).