AULA 7

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Fratura dos Materiais
Aula 7 - Fratura por �uência
INTRODUÇÃO
Diversos componentes estruturais atuam em contextos em que há combinação de tensão e temperatura, promovendo
a criação e a movimentação de defeitos na ordem de grandeza atômica, como discordâncias, lacunas e átomos
intersticiais.
A deformação permanente que ocorre nessas condições é denominada �uência e constitui uma das principais causas
de falha de componentes, representando motivo de preocupação por parte dos engenheiros projetistas.
Nessa aula, analisaremos alguns aspectos teóricos e outros empíricos para entender os fenômenos físicos que
originam a �uência.
OBJETIVOS
Conhecer o fenômeno da �uência e as fases que o compõem.
Compreender qualitativamente o ensaio de �uência.
Identi�car os efeitos da tensão e da temperatura na �uência.
Analisar quantitativamente os métodos de extrapolação de dados nos ensaios de �uência.
Relacionar qualitativamente a fratura por fadiga e �uência.
O FENÔMENO DA FLUÊNCIA
Em projetos de engenharia, frequentemente nos deparamos com situações em que os componentes são submetidos a
esforços em temperaturas acima da temperatura ambiente.
Nesse contexto, diversas estruturas/defeitos microscópicos, na ordem de grandeza atômica, como lacunas,
discordâncias e contornos de grão se tornam mais suscetíveis à movimentação, resultando em deformações plásticas
macroscópicas.
A este fenômeno caracterizado por deformações permanentes, denominamos de �uência.
Em metais, esse fenômeno assume especial importância em temperaturas acima de 0,4T , em que T é a temperatura
absoluta (glossário)  de fusão do material, situação em que a movimentação atômica é muito intensa.
Atenção
, Para os polímeros amorfos, que incluem os termoplásticos e as borrachas, espera-se que a �uência seja signi�cativa mesmo à
temperatura ambiente.
FASES DO FENÔMENO DA FLUÊNCIA
Uma variação simples do ensaio de �uência consiste em submeter o corpo de prova a esforços trativos constantes, à
medida que mantemos a temperatura de execução do ensaio também constante.
As deformações ou alongamentos obtidos são registrados em um grá�co em função do tempo, como mostrado na
Figura 1.
A carga constante é utilizada por mostrar maior compatibilidade com os projetos de engenharia na posterior
adaptação e extrapolação das informações para utilização em projetos reais.
f f
Figura 1: Grá�co ilustrando a deformação por �uência x tempo.
No grá�co obtido, são perceptíveis três regiões, cada uma correspondente a uma fase do fenômeno de �uência.
Região I - Fluência Primária:
Essa fase, também conhecida como transiente, é caracterizada pela taxa de deformação decrescente ao longo do
tempo, ou seja, a inclinação da curva diminui com tempo. A diminuição da taxa de deformação é uma consequência do
encruamento (glossário) do material, que di�culta a deformação.
Região II - Fluência Secundária:
Essa fase apresenta taxa de deformação constante e é a mais duradoura. A constância da taxa resulta do equilíbrio
entre o processo de encruamento e o processo de recuperação (glossário) do material.
Região III - Fluência Terciária:
Nessa fase, ocorre o aumento da taxa do processo de deformação, ou seja, a inclinação da curva aumenta em função
do tempo. A fase termina com a fratura do material.
ENSAIO DE FLUÊNCIA
Os ensaios de �uência utilizam corpos de prova semelhantes aos de ensaio de tração uniaxial, porém, é utilizado um
elemento térmico (forno) para o aquecimento do corpo de prova e a manutenção na temperatura requerida.
O equipamento utilizado possui:
Veja esquematicamente a Figura 2.
Figura 2: Figura esquemática do ensaio de �uência.
Saiba Mais
, Extensômetro é um transdutor capaz de medir deformações de corpos através de sua própria deformação que, por sua vez, é
proporcional à sua resistência.
Termopares são sensores de temperatura constituídos de dois metais distintos unidos em uma das extremidades. Quando há
uma diferença de temperatura entre a extremidade unida e as extremidades livres, veri�ca-se o surgimento de uma diferença de
potencial que pode ser medida por um voltímetro e interpretada como a diferença de temperatura.
Em situações em que o corpo de prova é fabricado com material frágil, é conveniente utilizarmos uma variação desse
ensaio em que é utilizada força compressiva, para que não ocorra a concorrência de fenômenos relacionados à fratura,
uma vez que a tração privilegia a abertura de trincas e a ampli�cação da tensão na ponta das mesmas. Para outros
materiais, o fenômeno da �uência é virtualmente independente da direção de aplicação das forças.
EFEITOS DA TENSÃO E DA TEMPERATURA NA FLUÊNCIA
A temperatura e a tensão in�uenciam a taxa de deformação no fenômeno da �uência. Para temperaturas
signi�cativamente abaixo de 0,4T , a taxa de deformação não varia após a deformação inicial, como mostra a Figura 3.
Entretanto, para temperaturas superiores, teremos as seguintes consequências com o aumento da temperatura e a
tensão:
f
Figura 3: In�uência da tensão “s" e da temperatura “T” na taxa de deformação por �uência.
Algumas relações empíricas nos fornecem o comportamento da taxa de deformação em função da tensão aplicada:
Em que:
K e “n” - são constantes do material.
Ao incluir a in�uência da temperatura na expressão, temos:
Em que:
K e Q - são constantes do material.
Q - se denomina energia de ativação para o processo de �uência.
MÉTODOS DA EXTRAPOLAÇÃO DE DADOS EM FLUÊNCIA
Na maioria das vezes, a obtenção de dados em ensaios normais em laboratório para posterior utilização em projetos
de engenharia é de difícil execução, uma vez que para temperaturas em torno da temperatura ambiente, o ensaio pode
durar anos.
1
2 f
f
Para minimizar o problema, existem métodos de extrapolação de dados, entre os quais o método de Larson-Miller, que
utiliza dados coletados em ensaios realizados a temperaturas superiores às requeridas na prática e tensões
compatíveis àquelas a serem utilizadas no projeto de engenharia. O uso de temperaturas mais altas abrevia o ensaio. O
método citado utiliza a expressão a seguir.
ATIVIDADE
Considere um determinado aço ferrítico cujo parâmetro de Larson-Miller é fornecido pelo grá�co a seguir.
Com base nas informações fornecidas, determine a vida do componente até a ruptura, considerando que o mesmo
está operando a 950K sob tensão de 100MPa.
Resposta Correta
FRATURA POR FADIGA E FLUÊNCIA
Diversos fatores afetam o comportamento dos materiais submetidos à fadiga e à �uência. Um dos fatores que
determina a diminuição dos materiais a ambos os processos é o aumento da temperatura, ou seja, à medida que a
temperatura de trabalho aumenta, tem-se uma diminuição da capacidade do material em resistir tanto a esforços
cíclicos como a cargas contínuas (estáticas).
Entretanto, com relação à �uência, podemos dizer que a resistência a esse processo de deformação será tanto maior
quanto maior for a temperatura de fusão (maior é o módulo de elasticidade) e o tamanho de grão.
Esta última característica é uma consequência de uma área menor de contorno de grão para que ocorra o
escorregamento de discordâncias no processo de deformação, ou seja, maior tamanho de grão, menor área de
contorno de grão, resultando em menor quantidade de escorregamentos e menor deformação.
Os aços inoxidáveis são altamente resistentes à �uência e normalmente empregados na fabricação de componentes
submetidos a tensão e altas temperaturas.
ATIVIDADE
1 - A �gura a seguir mostra a aeronave franco-britânica Concorde. Único avião a realizar voos comerciais acima da
velocidade do som, atingindo Mach 2 (duas vezes a velocidade do som - 2.220Km/h), sendo capaz de fazer a distância
entre Londres e Nova York em 3 horas e meia (em avião convencional, a distância é percorrida entre 7 e 8 horas).
Quando o Concorde atingia Mach 2, podia-se veri�car temperaturas na ordem de 100 C em suas asas, que estavam
submetidas à tração e compressão cíclicas.
Nesse contexto, descreva os possíveis mecanismos de criação de trincas e deformaçãoplástica.
Resposta Correta
o
2 - O fenômeno da �uência pode ser dividido em três etapas, denominadas de fases da �uência. Em relação a essas
fases, só NÃO podemos a�rmar:
a) A região I é também conhecida como transiente e é caracterizada pela taxa de deformação decrescente ao longo do tempo.
b) Na região I, a diminuição da taxa de deformação é uma consequência do encruamento do material, que di�culta a
deformação.
c) Na região II, a taxa de deformação é constante e é a mais duradoura das três fases da �uência.
d) Na região II, a constância da taxa de deformação resulta da diminuição do processo de encruamento.
e) Na região III, ocorre o aumento da taxa de deformação, resultando na ruptura do material.
Justi�cativa
3 - Com relação aos efeitos da temperatura e da tensão sobre a �uência, NÃO podemos a�rmar:
a) O aumento da temperatura provoca o aumento da deformação inicial.
b) O aumento da tensão provoca a diminuição da deformação inicial.
c) O aumento da temperatura provoca o aumento da taxa de deformação no período de �uência estacionária.
d) O aumento da tensão provoca o aumento da taxa de deformação no período de �uência estacionária.
e) O aumento da temperatura e da tensão provoca a diminuição do tempo de vida do corpo de prova até a ruptura.
Justi�cativa
4 - Considerando o fenômeno de fratura associado a �uência, podemos a�rmar, com EXCEÇÃO de:
a) O aumento de temperatura provoca tanto a diminuição da resistência à fadiga quanto à �uência.
b) Os aços inoxidáveis são materiais adequados aos projetos que pretendem oferecer boa resistência a �uência.
c) Um material com estrutura de grãos mais �na oferece maior resistência a �uência.
d) Os aços com maior módulo de elasticidade oferecem maior resistência a �uência.
e) O material com maior ponto de fusão é mais resistente a �uência.
Justi�cativa
Glossário
TEMPERATURA ABSOLUTA
É a temperatura fornecida em Kelvin, que associa o zero absoluto à ausência completa de energia cinética dos átomos que
compõem o material. A escala Kelvin se relaciona à escala Celsius por meio da expressão K = C+273.
ENCRUAMENTO
É o endurecimento de um metal através de deformação mecânica.
RECUPERAÇÃO
No texto, o termo é utilizado para expressar a capacidade do material diminuir sua dureza, recuperando o estado anterior ao
encruamento, por meio de mecanismos atômicos difusionais.