Seleção de Materiais segundo a Resistência à

Temperatura

EM 833Profa. Cecília Zavaglia

Fluência

A fluência é definida como uma deformação plástica que ocorre num corpo quando submetido a uma carga constante aplicada, a um determinado nível de temperatura, durante um prolongado período de tempo.

Fluência Os metais e as ligas metálicas em geral não estão sujeitos ao fenômeno da fluência à temperatura ambiente, contudo a partir de um determinado nível a deformação plástica começa a aparecer , caracterizando‑se como um fenômeno termicamente ativado (comumente acima de 0,4 da temperatura de fusão do metal

Falha por FluênciaA falha por fluência em metais pode resultar de uma excessiva deformação plástica do componente ou da ruptura desse componente.Exemplos típicos de sistemas mecânicos sujeitos à fluência: vasos de pressão, turbinas a gás e motores aeronáuticos; contudo, todos os sistemas operando as altas temperaturas, sob consideráveis níveis de tensão, estão sujeitos ao aparecimento da fluência.

Falha por FluênciaA analise microscópica dos metais submetidos a fluência permite identificar diversos mecanismos pelas quais ela pode se manifestar:

1. movimentação de discordâncias ao longo de planos de deslizamentos superando barreiras com a ativação térmica

2. ascensão de discordâncias conduzindo a formação de estrutura de sub‑grãos,

Falha por Fluência 3. deslizamento de contornos de grãos

4. difusão de vacâncias • A presença de elementos de liga em

solução sólida ou na forma de, precipitados influenciam. o desenvolvimento desses mecanismos

Ensaios de fluência e curva de fluência

Podem ser conduzidos com diferentes tipos de tensão; porém é comum o uso de esforço de tração devido a facilidade de aplicação. Nesse ensaio, realizado a um determinado nível de temperatura e a uma carga ou tensão constante, pode-se determinar a velocidade de fluência, o nível do esforço de tração para ruptura e a fluência total em todos esses estágios.

Representação do ensaio de fluência

Curva de fluênciaNão considerando a deformação elástica inicial (εo), a fluência pode ser de dois tipos:

1. Transitório, quando surge somente o primeiro estágio

2. Contínuo, quando ocorrem os três estágios

Esses tipos podem ser característicos de um metal em função dos níveis de tensão e de temperatura aplicados no ensaio

Curva de fluência1. Com um carregamento ocorre uma deformação

inicial elástica e plástica; nesse primeiro estágio ‑ estágio transitório ou de fluência primaria) ‑ a velocidade de fluência, ou seja, a relação d/dt decresce com o tempo.

2. A partir de um determinado tempo, e nível de deformação correspondente, a velocidade de fluência assume um valor constante diferente de zero, caracterizando o 2º estágio ou a fluência secundária.

3. Ao final desse processo, pode surgir o 3º estágio ou a fluência terciária, onde a velocidade de fluência é crescente,conduzindo o corpo ensaiado à ruptura.

 

Propriedades da curva de fluência

Da curva de fluência se extrai uma propriedade importante para a definição do comportamento do material metálico em altas temperaturas: a velocidade mínima de fluência. Nesse caso, é importante indicar o nível de tensão (em MPa) a uma. dada temperatura (em OC), que provoca uma determinada velocidade de fluência (em %/h). Para um dado nível de temperatura, a relação de "tensão versus velocidade mínima de fluência", colocada num diagrama. bi‑logarítmico, apresenta‑se comumente na forma de uma linha reta. Essa propriedade é extraída do estágio secundário da fluência

Curva de Fluência

No estágio terciário, quando ocorre a ruptura, determina-se uma outra importante propriedade: o tempo necessário para provocar a ruptura, para determinados níveis de temperatura e tensão aplicados. A relação "tensão versus tempo de ruptura", à temperatura constante, em diagrama. bi‑logarítmico, pode ser aproximada por uma linha reta que contém pontos de inflexão quando ocorrem sensíveis mudanças microestruturais no material metálico devido a solicitação em altas temperaturas.

Velocidade de deformação versus tempo, para ensaio com carga

constante

Resistência à FluênciaA resistência à fluência corresponde, portanto, ao nível de tensão que causa uma determinada velocidade mínima de fluência. A resistência à ruptura por fluência se refere à tensão que conduz a uma determinada vida sob fluência. Ambas são definidas para níveis constantes de temperatura.

Fluência para Metais

A fluência é a deformação progressiva de um material a uma tensão constante. Sob certas condições o material pode até sofrer fratura. Uma larga faixa de comportamento de fluência é evidente quando são feitas comparações em termos de tensão, temperatura e tempo, que são os parâmetros que descrevem o processo de fluência. Normalmente a taxa de fluência é mais alta e o tempo até a fratura é menor quando a temperatura e (ou) a tensão aplicada são aumentados.

Fluência para MetaisEstruturas metálicas para trabalho a temperatura ambiente são projetadas baseando-se nas suas resistências ao escoamento e à tração. Essas propriedades, na maioria dos metais, à temperatura ambiente, são independentes do tempo. Entretanto, uma importante característica da resistência a alta temperatura, é que é sempre necessário considerá-la com relação a uma escala de tempo. A resistência a elevadas temperaturas depende tanto da taxa de deformação, como do tempo de exposição. Um metal submetido a um carregamento constante, a uma temperatura elevada, vai escoar, sofrendo um aumento de comprimento dependente do tempo.

Fluência para MetaisA curva de fluência de engenharia de um metal é determinada pela aplicação de uma carga constante num corpo de prova de tração mantido a uma temperatura constante , e a deformação (alongamento) do corpo de prova é determinado em função do tempo. A duração de tais testes varia de alguns meses até alguns anos.

Ligas metálicas resistentes à fluência

Os mecanismos usados para aumentar a resistência à fluência são semelhantes aqueles usados para aumentar a resistência mecânica a temperatura ambiente, ou seja:

  Endurecimento por solução sólida  Endurecimento por solubilização e precipitação ( de partículas de segunda fase muito finas)

Quais materiais metálicos devem ser usados em temperaturas:

1. Abaixo de 150oC – O chumbo é o único metal de engenharia que não deve ser usado acima da temperatura ambiente, pois mesmo a essas temperaturas ( próximo da amb.) ele pode sofrer fluência. Se resistência ao amolecimento é necessária, cobre eletrolítico resistente ao recozimento é indicado, com uma pequena quantidade de cádmio (C11100), ou cobre com prata (C11400), que podem ser usados a temperaturas até 200oC.

2.    De 150 a 400oC- Ligas de magnésio : Mg-RE ( terras raras)-Zr Mg-RE-Zn—Zr, Mg-Th-Zr e Mg-Al-Zn podem ser usadas até 315oC. Ligas contendo Th são as de maior resistência à fluência e as de Mg-Al-Zn são as de menor resistência. As ligas de Al tem resistência à fluência maior que as de Mg, sendo que algumas ligas podem ser usadas por um curto tempo até 480oC.

3. De 400 a 600 oC- Aços de baixa liga são usados para essa faixa de temperatura se o custo não é um fator importante e se alta densidade é aceitável. Acima de 400oC, aços ligados ao Mo tem sua resistência à fluência aumentada. Aços Cr-Mo e Cr-Mo-V podem ser utilizados a até cerca de 500oC. As ligas de titânio α tem o melhor desempenho quanto à fluência de todas as ligas de Ti, enquanto que as ligas β tem o pior. As ligas α+ β, como a Ti-6Al-4V São limitadas a uma máxima temperatura de uso de 450oC. As ligas α tem uma temperatura limite um pouco superior a essa. As ligas de Ti não podem ser utilizadas acima de 600oC porque são susceptíveis a fragilização e oxidação superficial.

4. De 600 a 650oC – Para essa faixa de temperatura os fatores importantes para a seleção são : resistência à oxidação e resistência à fluência. Os aços inoxidáveis ferríticos e austeníticos são os recomendados. Os ferríticos são os mais baratos , mas tornam-se susceptíveis à fragilização a partir de 475oC se o teor de Cr excede a 13%. Eles também são difíceis de soldar. A principal vantagem dos ferríticos sobre os austeníticos são a sua maior resistência à oxidação.

5. De 650 a 1000oC- Quatro grupos de materiais metálicos são usados nessa faixa de temperatura: aços inoxidáveis austeníticos, super ligas ferro-níquel, super ligas de níquel e super ligas de cobalto. As temperaturas limites de uso de aços austeníticos é de 750oC. A liga AISI 316 é a mais resistente à fluência. As super ligas Fe-Ni contem grandes quantidades de Fe e são endurecidas por precipitação de carbonetos ou compostos intermetálicos. As super ligas de Ni contém 30 a 35% de Ni a acima de 30% de Cr. Pequenas quantidades de Al, Ti, Nb, Mo, Hf e W são adicionados para aumentar a resistência mecânica, à corrosão e ao calor. As superligas de Co são endurecidas por uma combinação de carbonetos e elementos em solução sólida.

6.      1000oC e acima- Os metais refratários como o W, Ta, Nb, Mo e suas ligas podem ser usados até 1500oC. Entretanto, coberturas protetoras são requeridas para serviço em ambientes oxidantes em temperaturas acima de 425-500oC, dependendo do material.

Máxima temperatura de uso de alguns metais

Metal Temp.Fusão(oC)

Máxima T uso(oC)

Máxima T na prática (oC)

Al 660 350 0,56

Cu 1083 630 -

Ni 1453 880 0,74

Fe 1536 930 0,47-0,57

Ti 1668 1020 0,4

Zr 1852 1150 -

Máxima temperatura de uso de alguns metais ( continuação)

Metal Temp.Fusão(oC)

Máxima T uso(oC)

Máxima T na prática (oC)

Cr 1900 1180 0,6

Hf 2222 1370 -

Nb 2468 1550 0,54

Mo 2610 1650 -

Ta 2996 1910 -

W 3410 2160 0,76

Fluência para CerâmicasUma das vantagens das cerâmicas sobre os metais é a sua habilidade em suportar temperaturas de serviço tão altas como 1650oC. A resistência à temperatura das cerâmicas é caracterizada por severas propriedades térmicas como resistência à fluência, expansão térmica, condutibilidade térmica e resistência ao choque térmico.

Fluência para CerâmicasPara cerâmicas estruturais, especialmente Si3N4 prensado a quente, a taxa de fluência pode ser controlada ajustando a composição e, então, as propriedades das fases dos contornos de grão. A resistência à fluência do SiC também é afetada pelas fases intergranulares, mas as taxas de fluência desse material são baixas.

Fluência para CerâmicasComparadas com os óxidos, cerâmicas covalentes de silício possuem baixos coeficientes de expansão térmica, o que pode aumentar a resistência ao choque térmico. A expansão térmica desses materiais é função da fase sólida e não é muito afetada pela porosidade e por impurezas. SiC possui expansão térmica 50 % superior do que Si3N4. A expansão térmica deste último material é função da quantidade de óxido intergranular presente.

Fluência para CerâmicasA variação da expansão térmica com a temperatura é muito importante nos vidros porque tensões termicamente induzidas são uma função da taxa de expansão. Tanto as dimensões lineares como o volume do vidro mudam com a temperatura, sendo que a taxa volumétrica é três vezes a taxa de expansão linear.

Fluência para CerâmicasA capacidade calorífica e a condutibilidade térmica também devem ser consideradas para aplicações de cerâmicas em altas temperaturas, pois essas duas propriedades indicam resistência a tensões térmicas. Para óxidos e carbonetos, a capacidade calorífica aumenta com a temperatura aumenta com a temperatura até 1000oC. Para temperaturas superiores, pouco efeito se nota na capacidade calorífica. Para os vidros e os vitro-cerâmicos, nota-se o mesmo efeito, ou seja a capacidade calorífica aumenta com o aumento da temperatura.

Max.T de uso em curto tempo e max. T para que nào ocorra fluência de óxidos cerâmicos

covalentes

T fusão ou de dissociação, max.T de uso (tempo curto), máx. T para não ocorrer fluência para

cerâmicas cov.

Fluência para polímeros e compósitos

Os plásticos e compósitos podem ser usados numa larga faixa de temperatura. Porém quase todas as propriedades dos plásticos, incluindo as propriedades físicas, mecânicas, elétricas e químicas são dependentes da temperatura. Consequentemente, a temperatura freqüentemente é considerada um parâmetro importante no "design".

Fluência para polímeros e compósitos

Os termofixos usualmente tem maior resistência à temperatura que os termoplásticos, devido ao seu alto grau de ligações cruzadas. Entretanto, eles são substituídos pelos termoplásticos de engenharia resistentes a altas temperaturas, tais como o poli-éter-éter-cetona (PEEK) ou o poli-sulfeto de fenileno (PPS). Esses materiais tem a vantagem de serem moldáveis por injeção.

Fluência para polímeros e compósitos

Embora novas resinas epoxies possam ser usadas a temperaturas contínuas de 100 a 180oC, seu uso na prática é limitado a 150oC. Poli-imidas termofixas são usadas em composições para altas temp, reforçadas com fibras de grafite na faixa de 260 a 290oC.Polímeros cristais líquidos sem reforço (LCPs), baseados em poliésters aromáticos, possuem boas propriedades mecânicas a temperaturas abaixo de 300oC. Temperaturas de deflexão a 1,8 MPa são tão altas quanto 350oC.

Fluência para polímeros e compósitos

LCPs injetáveis ou extrudáveis são também utilizadas no processamento de equipamentos resistentes a altas temperaturas e a produtos químicos e na confecção de componentes eletrônicos, como conectores e soquetes. LCPs, baseados em poliésters aromáticos possuem um potencial para a confecção de compósitos avançados, principalmente usando grafita na forma de tecido, como reforço.

Máximas temp. de uso de polímeros