Tema 4 - Fratura por fluência

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Fratura por �uência
Prof. Julio Cesar José Rodrigues Junior
Descrição
Discussão sobre os principais aspectos do fenômeno da fluência e o
seu ensaio, além da curva deformação versus tempo, com ênfase para o
estágio secundário e a velocidade mínima de fluência. Aspectos
relevantes da influência da temperatura e da tensão no ensaio de
fluência, bem como da fratura por fluência.
Propósito
O fenômeno da fluência é importante para materiais que são
submetidos a altas temperaturas, ocorrendo a deformação plástica do
componente, mesmo sob tensões abaixo do escoamento, em
temperatura ambiente. Dessa forma, engenheiros que projetam peças
cujas condições de serviços são de alta temperatura devem conhecer o
fenômeno e a curva de fluência.
Objetivos
Módulo 1
Fases do fenômeno da �uência
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Reconhecer as fases do fenômeno da fluência.
Módulo 2
O ensaio de �uência
Descrever o ensaio de fluência.
Módulo 3
Efeitos da tensão e da temperatura
Identificar os efeitos da tensão e da temperatura.
Módulo 4
Fratura por �uência
Reconhecer a fratura por fluência.
Introdução
Olá! Antes de começarmos, assista ao vídeo e confira os
principais pontos que serão abordados neste conteúdo.

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1 - Fases do fenômeno da �uência
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer as fases do fenômeno da �uência.
Vamos começar!
Entendendo as fases da �uência
Veja o fenômeno de fluência, típico de altas temperaturas, e uma
apresentação da curva de saída do ensaio de fluência, além da curva
deformação versus tempo.

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Fluência na engenharia
Muitos componentes de engenharia serão colocados em serviço em
ambientes cuja interação pode ser prejudicial e perigosa, como é o caso
de materiais imersos em ambientes corrosivos. Assim, o projeto de uma
peça desenvolvido por um engenheiro não deve considerar apenas o
carregamento externo, sem considerações particulares como os
fenômenos da corrosão, fadiga, fluência etc.
A escolha do material ou a utilização de elementos que mitiguem o
efeito do ambiente ou do carregamento externo específico, como
acontece com os anodos de sacrifício, que protegem a estrutura da
corrosão e aumentam a vida útil, são soluções eficientes de engenharia.
Outra possibilidade em que o meio externo tem influência na vida útil de
um componente ocorre frequentemente em alguns ramos da engenharia
(reatores, turbinas, tubulações etc.) em que alguns componentes são
submetidos a elevadas temperaturas (maiores que 40% da temperatura
de fusão, em Kelvin), durante um período longo e sob a ação de tensões
estáticas constantes.
A deformação plástica sofrida, que depende do tempo
que o material está submetido a essas condições, é
denominada fluência.
Assim, um componente nas condições de elevadas temperaturas, sob
tensão constante e durante intervalo temporal grande, tem sua vida útil
limitada. Isso pode ocorrer pelo rompimento da peça ou pelo excesso
de deformação plástica, inviabilizando o projeto. Dessa forma, é mais
um aspecto que o engenheiro deve considerar durante a fase de projeto.
É necessário, ainda, elencar ligas com resistências adequadas à
fluência, determinar as condições de trabalho e a vida útil do projeto na
engenharia, dentre outros aspectos.
Fluência
Esse fenômeno ocorre
devido à existência de
falhas nos materiais
cristalinos. A
movimentação de
discordâncias, dos
Ruptura
Isso proporciona a
deformação da peça,
mesmo a tensões
inferiores às que
levariam a essa
movimentação em
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escorregamentos de
contornos de grão, dos
átomos e das vacâncias
dentro dos sólidos
ocorrem dependendo
do tempo e são
potencializados pela
energia de ativação
(temperaturas
elevadas).
temperatura ambiente.
Esse aumento da
deformação plástica
lento, ao longo do
tempo, leva à redução
da área da peça, por
estricção, culminando
na ruptura.
Assim, um componente metálico submetido a uma tensão constante e a
uma temperatura elevada sofrerá fluência e experimentará um
incremento no comprimento (deformação plástica ou permanente), com
o decorrer do tempo. Em termos de projeto, o aumento no componente,
em virtude da deformação plástica, pode ser o fator limitante para a vida
útil do componente. A imagem a seguir traz parte de uma turbina de
avião, que, em uso, a alta temperatura pode levar os componentes à
fluência.
Imagem 1: Turbina de avião – componentes sujeitos à fluência.
Ligas metálicas resistentes à �uência – aspectos gerais
Conforme Souza (2019), com a finalidade de resistir à deformação
plástica em altas temperaturas, novos materiais têm sido desenvolvidos
nos últimos anos, principalmente para suprir a demanda das indústrias
que projetam foguetes, aviões etc., cuja temperatura não raramente
atinge 1000°C. Diversos aços inoxidáveis e superligas  (Inconel 718)
apresentam boa resistência à fluência e, portanto, são adequados para
componentes que estarão em serviço sob condições rigorosas de
temperatura, como acontece nos reatores, nas turbinas de motores de
aviões a jato etc. Em termos metalúrgicos:

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Superligas
As superligas têm o
limite de resistência à
fluência promovido por
solução sólida e de
precipitados em sua
rede cristalina.
Taxa de deformação
plástica
Isso influencia o
movimento de
discordância e,
consequentemente,
reduz a taxa de
deformação plástica.
Segundo Callister (2016), duas técnicas especiais de fabricação se
destacam:
Solidi�cação direcional
É uma variação do processo de solidificação em que a mudança de
estado (líquido para sólido) inicia-se na parte inferior do molde e segue
até o topo. Nessa técnica, os grãos estão altamente alongados
(colunares).
Monocristais
Apresentam periodicidade perfeita, não possuindo, portanto, contornos
de grãos. São processados a partir de diversas técnicas que, em sua
maioria, controlam parâmetros, como a temperatura, os reagentes, a
pressão etc.
A imagem a seguir mostra, de maneira qualitativa, o que foi descrito
anteriormente. Nela, três palhetas de um motor de avião, submetidas às
mesmas condições de temperatura e tempo de utilização, são
apresentadas. É possivel perceber, macroscopicamente, como cada
uma delas interagiu com o meio, ou seja, a diferença da resistência à
fuência das três palhetas, pelo aspecto final de suas utilizações.

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Imagem 2: Curvas tensão versus N vidas finita e infinita em fadiga.
Na imagem (b) é possível inferir que as palhetas com grãos colunares
têm resistência à fluência aumentada, em relação às palhetas
processadas por fundição convencional. Na imagem (c), esse aumento
da resistência à fluência fica ainda mais evidenciado quando a palheta é
um monocristal.
Em relação ao tamanho de grão do material, quanto mais refinada for a
microestrutura, maior será o escorregamento de discordâncias e,
consequentemente, a taxa de fluência aumentará, reduzindo a
resistência à fluência.
Curva deformação em �uência versus
tempo
Neste ponto serão apresentados alguns aspectos a respeito da curva de
fluência (deformação versus tempo), que tem três estágios a serem
explorados e entendidos. Diversas peças, componentes ou estruturas
mecânicas trabalham a altas temperaturas (acima de em
Kelvin) durante um tempo considerável e, sob ação de tensãoestática
constante.
É importante ensaiar as peças ou corpos de prova (CP)
para conhecer as propriedades mecânicas nas
condições de serviço do componente.
0, 4 ⋅ Tfusão,
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O ensaio, a ser detalhado no módulo seguinte, apresenta um forno para
manter constante a temperatura alta do ensaio, um contador do tempo e
um corpo de prova fixado a um peso pendente constante. Esse corpo de
prova fica preso na extremidade livre a fim de que a carga do ensaio
permaneça a mesma ao longo do todo o período do ensaio que, por
vezes, leva um ano.
Veja agora um esboço da máquina de ensaio de fluência em que se
destacam o forno, o controlador da temperatura, o contador de tempo e
a carga suspensa, ligada diretamente ao corpo de prova.
Imagem 3: Esboço da máquina de ensaio de fluência.
O ensaio é conduzido e a resposta (output) é um gráfico que relaciona a
deformação sofrida pelo corpo de prova por fluência versus o tempo de
ensaio, que, em geral, tem três estágios:

Fluência primária ou transiente

Fluência secundária ou constante

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Fluência terciária
Em seguida, será apresentado esse gráfico que denominaremos curva
de fluência e o estudo sob a ótica matemática e metalúrgica.
Curva de �uência
A fim de se obter a curva de fluência para um material metálico,
inicialmente aplica-se uma carga no corpo de prova que se manterá
constante durante todo o ensaio. O ensaio ocorre em um forno a altas
temperaturas, sempre constantes. Com o fenômeno da fluência, a
deformação varia com o tempo.
A imagem apresenta uma curva de fluência típica em que se tem, no
eixo vertical, as deformações e, no horizontal, o tempo.
Imagem 4: Curva de fluência – output do ensaio de fluência.
A deformação instantânea que o gráfico da imagem 4 mostra
depende da carga inicial aplicada sobre o corpo de prova.
Relembrando alguns conceitos de cálculo, temos que, para dada função
de uma única variável independente é possível determinar a
taxa de variação instantânea de em relação a pela aplicação da
derivada no ponto considerado. Assim:
Desse modo, aplicando ao caso concreto da imagem, dada a função que
determina a deformação com o tempo, isto é, a derivada
temporal mede a velocidade de deformação. Podemos chamá-la
também de velocidade de fluência. Dessa forma, matematicamente,
temos:
(ε0)
y = f(x),
y x
 Variação instantânea  =
dy
dx
ε ε = ε(t),
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Estágios de �uência
A partir da discussão anterior, da definição de velocidade de fluência e
da curva apresentada na imagem 4, podemos fazer um estudo mais
detalhado a respeito dos três estágios da fluência.
Estágio I ou �uência primária ou transiente
A velocidade de fluência vai diminuindo ao longo do tempo. Nesse
estágio ocorre o encruamento dificultando, por exemplo, o deslizamento
de discordâncias, associado à deformação plástica. Essa é uma
explicação metalúrgica para o decrescimento da velocidade de fluência
nessa etapa. De acordo com Souza (2019), inicialmente as
discordâncias são impedidas de se movimentarem devido a pequenas
barreiras. Com a ativação térmica, as discordâncias superam essas
barreiras iniciais, mas são impedidas de sofrer novas movimentações
por barreiras maiores que, por fim, são superadas.
Resumindo
No estágio I, o fenômeno que predomina é o de empilhamento de
discordâncias, sendo o fenômeno da recuperação coadjuvante.
Estágio II ou �uência secundária ou constante
O gráfico desse estágio é aproximadamente uma reta crescente, logo, a
derivada (velocidade de fluência) é constante e positiva durante esse
intervalo. Nesse estágio, os processos de encruamento (empilhamento
de discordâncias, por exemplo) e de recuperação (liberação das
discordâncias empilhadas por cross-slip) dinamicamente se anulam.
Esse estágio é fortemente influenciado pela temperatura. Para valores
maiores, o tempo de duração do estágio diminui.
Cross-slip
Também conhecido por deslizamento cruzado, é o mecanismo de
recuperação dinâmica dos metais que ocorre em discordâncias em hélice.
Resumindo
O estágio II, é fortemente influenciado pela temperatura. Para valores
maiores, o tempo de duração do estágio diminui.
Estágio III ou �uência terciária
 Velocidade de fluência  =
dy
dt
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A derivada da função aumenta, ou seja, a velocidade de fluência pode
ser associada ao grande movimento das discordâncias.
Resumindo
O estágio III, inicia-se a estricção (empescoçamento) do corpo de prova
e o aparecimento de micro trincas, culminando com a ruptura por
fluência.
É importante notar, a partir da imagem 4, o comportamento da
velocidade de fluência em cada estágio do fenômeno. Veja:
No estágio I, a velocidade de fluência é inicialmente alta e vai
diminuindo.
No estágio II a velocidade é aproximadamente constante.
No estágio III a velocidade aumenta.
É possível, então, escrever um gráfico da derivada /(\frac{d\varepsilon}
{dt}/) (ou velocidade de fluência) versus tempo, ratificando o que foi
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apresentado de maneira mais intuitiva. A imagem a seguir mostra que a
derivada é sempre positiva. Veja:
Imagem 5: Gráfico da velocidade de fluência versus tempo.
No estágio I, há o decréscimo da derivada.
Imagem 5: Gráfico da velocidade de fluência versus tempo.
No estágio II, a derivada é praticamente constante (reta
horizontal).
Imagem 5: Gráfico da velocidade de fluência versus tempo.
No estágio III, a derivada (velocidade de fluência) volta a
crescer.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
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(Serviço de Seleção do Pessoal da Marinha - SSPM - Corpo Auxiliar
de Praças - Área: Técnico em Metalurgia - 2019 - adaptada). Na
realização de um ensaio de fluência, um corpo de prova de um
determinado material foi aquecido a uma temperatura constante e
submetido a uma tensão constante. Os resultados desse ensaio
estão representados no gráfico a seguir.
Com base nessas informações, marque a opção correta.
A
A região A do gráfico ilustra o início do ensaio.
Assim que a tensão é aplicada, o corpo de prova
alonga-se plasticamente, e sua deformação não
depende do módulo de elasticidade do material.
B
A região B do gráfico é conhecida como fluência
secundária ou transiente, caracterizada por uma
taxa de fluência continuamente crescente, o que
sugere redução na resistência do material à
fluência.
C
Na região C do gráfico, verifica-se o aumento
contínuo da taxa de fluência do material, que se
baseia no equilíbrio de processos concorrentes de
encruamento e recuperação.
D
Na região D do gráfico, há aceleração da taxa de
fluência até a ocorrência da falha, devido ao
empescoçamento de alguma área deformada e ao
consequente aumento da tensão de deformação.
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Parabéns! A alternativa D está correta.
No ensaio de fluência, assim que a carga estática é aplicada ao
corpo de prova ocorre também a deformação elástica e, de acordo
com a lei de Hooke depende do módulo de elasticidade
E do material e de uma dada tensão. As regiões A, B e C do gráfico
deformação versus tempo recebem as seguintes denominações:
fluência primária ou transiente, fluência secundária ou estacionária
e fluênciaterciária. No estágio A, a taxa de crescimento é positiva,
porém decrescente. Na fase secundária, a taxa é constante e, em D,
a taxa de crescimento é crescente. Na fluência primária, o processo
dominante é o do encruamento e na fase secundária ocorre um
equilíbrio entre os fenômenos da recuperação e do encruamento.
Na última região, a estricção auxilia na ruptura do corpo de prova, e
em aspectos metalúrgicos. Ocorrem grande movimentação de
discordâncias, formação de microtrincas, deslizamento de
contornos de grão etc.
Questão 2
(Ministério da Defesa - Aeronáutica - Oficial - Área Engenharia
Metalúrgica - 2017 adaptada). Considerando uma curva típica
obtida durante a realização do ensaio de fluência, pode-se afirmar
que ela é dividida em
E O ponto E a temperatura de fratura indicam, no
gráfico, a ocorrência de ruptura, a qual não é
influenciada por possíveis alterações
microestruturais e/ou metalúrgicas do material.
tf
(σ = E ⋅ ϵ)
A
quatro estágios denominados inicial, estacionário,
fluência terciária e fluência quaternária.
B
dois estágios denominados fluência inicial, nos
quais se determinam a taxa de fluência e a fluência
final.
C
três estágios denominados primário ou fluência
primária, secundário ou fluência secundária,
terciário ou fluência terciária.
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Parabéns! A alternativa C está correta.
Os ensaios de fluência são conduzidos a altas temperaturas
(constantes) e tensões constantes. Devido às temperaturas
elevadas, o corpo de prova deforma-se plasticamente, mesmo a
tensões abaixo dos valores na temperatura ambiente. O gráfico
resposta do ensaio é a deformação versus tempo, com três fases
ou regiões bem características: a fluência primária ou transiente, a
fluência secundária ou estacionária e a fluência terciária em que
ocorre a ruptura do corpo de prova ensaiado.
2 - O ensaio de �uência
Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever o ensaio de �uência.
D
três estágios denominados taxa mínima de fluência,
taxa crítica de fluência e relaxação, que são os
parâmetros de engenharia obtidos no ensaio.
E
três estágios, sendo que o inicial é caracterizado
pelas marcas de praia, o segundo pela acomodação
das discordâncias e pelo aumento do encruamento.
O terceiro tem curta duração é caracteriza-se pela
ruptura.
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Vamos começar!
Entendendo o ensaio de �uência
Conheça os três ensaios de fluência (convencional, de ruptura e de
relaxação), seus parâmetros, algumas curvas características dos
ensaios e as principais diferenças entre eles.
Apresentação do ensaio de �uência
Conhecer o fenômeno da fluência é de vital importância para os
engenheiros que irão projetar peças que trabalharão sob altas
temperaturas (superiores a 40% da temperatura de fusão, em Kelvin). Há
alguns anos, as indústrias aeronáutica, petrolífera, nuclear e outras
demandam peças que tenham elevada resistência à fluência, o que
implica necessidade de novas ligas, processos de fabricações
específicos etc.
A fluência é a deformação plástica de um corpo, que
depende do tempo, em ambiente a altas temperaturas
e tensão constante.
A tensão atuante pode ser inferior à de escoamento em temperatura
ambiente e, mesmo assim, a deformação plástica acontecerá, pois as
elevadas temperaturas (energia de ativação) potencializam os
mecanismos da deformação plástica. Para avaliar a vida útil em fluência
ou a deformação máxima permitida para um componente nas
condições de serviço, corpos de prova dos materiais são ensaiados em

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fluência. A seguir, serão apresentados alguns aspectos relevantes para o
ensaio de fluência.
Parâmetros do ensaio de �uência
Para a realização do ensaio de fluência, devem ser considerados alguns
parâmetros das normas internacionais, como a norma ASTM 139. Veja
os principais parâmetros operacionais do ensaio:
 Temperatura do ensaio
Normas internacionais indicam a temperatura para
o ensaio de fluência que deve ser utilizada e
mantida durante todo o ensaio.
 Corpos de prova
São similares aos corpos de prova (CP) utilizados
no ensaio de tração com seções circular ou
retangular. É importante o acabamento superficial,
evitando-se defeitos superficiais e erros
geométricos (concordância).
 Aquecimento do corpo de prova
O corpo de prova deve ser aquecido até a
temperatura do ensaio.
 Extensômetros
Utilizados para instrumentação da elongação
sofrida pelo corpo de prova no ensaio, podendo ser
mecânico ou elétrico.
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É preciso considerar as seguintes observações:
Para materiais com elevada suscetibilidade à oxidação em
temperaturas altas, pode-se utilizar o forno com atmosfera inerte ou
mesmo com vácuo.
A temperatura deve ser controlada frequentemente durante o
ensaio, para garantir sua constância.
A medida da deformação do CP é aferida em intervalos regulares de
tempo.
Observe agora um corpo de prova (CP) com seção circular para o
ensaio:
Imagem 6: Corpo de prova - ensaio de fluência.
Ensaio de �uência
Em linhas gerais, é realizado em um forno em que a temperatura é
mantida constante e o corpo de prova está submetido à tensão
constante. Um contador de tempo e um extensômetro determinam o
alongamento do corpo, durante o ensaio. Normalmente, a carga é
aplicada por um conjunto de pesos suspensos.
Agora, observe a ilustração de uma máquina para o ensaio:
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Imagem 7: Esboço do aparato experimental do ensaio de fluência.
O ensaio mostrado na imagem anterior tem como resposta a curva
deformação versus tempo na qual três estágios podem ser destacados
(ver imagem 8). No primeiro, a curva apresenta taxa de crescimento do
corpo de prova decrescente, enquanto no terceiro, é crescente. No
estágio intermediário, a derivada (ou a taxa de crescimento) é
aproximadamente constante e positiva.
Imagem 8: Curva resposta do ensaio de fluência.
São três os ensaios: convencional, de ruptura e de relaxação que, em
linhas gerais, mantêm um corpo de prova sob tensão e temperatura
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constantes durante um longo período, apresentando como resposta o
gráfico deformação versus tempo.
Comentário
Segundo Garcia (2017), a taxa mínima de fluência (velocidade de
fluência ou taxa de deformação temporal, dε/dt, no estágio II) é um
parâmetro a ser determinado para projetos de peças de vida útil longa,
como peças de reatores. Para peças como as lâminas da turbina de um
motor de avião a jato, cujo tempo de vida útil é curto, o parâmetro
adequado é o tempo de ruptura.
Ensaio convencional de �uência
A literatura também o denomina ensaio de fluência propriamente dito
ou, ainda, creep test em que a curva deformação versus tempo é o
output. Nesse gráfico, conforme apresentados na imagem 4, três
estágios se destacam:

Fluência primária ou transiente

Fluência secundária ou estacionária

Fluência terciária
Nesse ensaio, nem sempre ocorre a ruptura do material ensaiado, pois
os ensaios são interrompidos no estágio II (fluência estacionária). São
utilizadas equações matemáticas, muitas vezes empíricas, que auxiliam
na extrapolação dos dados para a determinação da estimativa do tempo
até a ruptura (tempo de vida útil). Em regra, o ensaio é conduzido várias
vezes, mantendo-se sua temperatura constante. Assim, uma família de
curvas é obtida, como mostra a imagem 9, para várias tensões distintas
atuantes no CP, durante o ensaio, considerando a temperatura
constante.29/03/2024, 15:02 Fratura por fluência
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Imagem 9: Curvas de fluência para tensões distintas.
A imagem 9 mostra curvas de fluência obtidas pelo ensaio em que a
temperatura foi mantida constante. Note que a deformação inicial
aumenta devido ao aumento da tensão constante utilizada no ensaio.
Ademais, mostra o efeito da tensão aplicada nas curvas de fluência à
temperatura constante. É possível que a curva de fluência clássica, com
os três estágios bem definidos, só seja verificada para certas
combinações de tensão e temperatura. Conforme Dieter (1981), obtém-
se uma família de curvas similar para ensaio de fluência a tensão
constante e temperaturas diferentes, sendo que, quanto maior a
temperatura, maior a taxa de fluência.
Comentário
A duração do ensaio convencional é longa, podendo ultrapassar 1000
horas e, sendo, por vezes, interrompido no estágio II (linear), pois já é
conhecida a velocidade mínima de fluência. Ensaios interrompidos
podem utilizar argumentos matemáticos e os dados conseguidos até a
interrupção de ensaio para sua extrapolação.
É usual que o ensaio de fluência convencional não seja conduzido até a
ruptura do corpo de prova. Na retirada da carga, o comportamento, em
relação à deformação, do CP é apresentado no gráfico da imagem 10.
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Imagem 10: Descarregamento durante o ensaio de fluência.
A partir dessa imagem, as seguintes observações podem ser feitas:
A deformação inicial é composta por deformações elástica e
plástica.
No momento em que ocorre a interrupção do ensaio, há uma
recuperação elástica do CP de maneira instantânea.
A deformação vai diminuindo ao longo do tempo até atingir um
valor definitivo (plástico).
Comentário
A resistência à fluência é a tensão que pode atuar sobre o componente
a uma temperatura constante de tal forma que a taxa mínima de
fluência ou velocidade (no estágio II – região linear) tenha um dado
valor.
Ensaio de ruptura por �uência
Esse ensaio também é conhecido na literatura como stress-rupture test.
Ele tem muitas similaridades com o ensaio convencional de fluência,
sendo obrigatoriamente conduzido até que ocorra a ruptura do corpo de
prova (CP) que, por vezes, leva várias horas.
Muitas vezes, para que a velocidade de fluência seja
aumentada, isto é, que o tempo de ensaio seja
reduzido (lembre-se de que pode levar cerca de um
ano!), são utilizadas tensões e temperaturas ainda
mais elevadas, entretanto, deve-se mantê-las
constantes durante todo o ensaio.
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Como regra geral, os resultados obtidos em relação ao corpo de prova
(CP), são:

O tempo para ruptura do CP

A deformação plástica do CP

A quanti�cação da estricção
Segundo Souza (2019), a informação sobre o comportamento do
material quando submetido a ensaios que conduzem à ruptura, informa
a tensão nominal que o CP suporta em determinada temperatura
(constante).
A resposta desse ensaio é apresentada num gráfico tensão versus
tempo de ruptura do CP. Observe um ensaio conduzido para uma liga de
níquel, em três temperaturas distintas:
Imagem 11: Curva resposta do ensaio de ruptura por fluência.
Analisando essa imagem, é possível inferir que a curva resposta do
ensaio de ruptura por fluência avalia o efeito da temperatura na
capacidade de um corpo de prova suportar cargas por longos tempos.
Exemplo 1
Suponha que uma nova liga tenha sido desenvolvida por meio de
modificação de sua composição química e do processo de fabricação
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para que um componente, a ser utilizado em reatores nucleares, possa
ter maior vida útil em um ambiente de altas temperaturas, diminuindo,
assim, o custo associado à substituição da peça na planta nuclear.
Considere que o ensaio determinou a velocidade de deformação de
 (no regime estacionário da fluência, isto é, na fluência
secundária), quando a temperatura de trabalho é constante e igual a
480°C e a tensão atuante é trativa e igual a 310MPa. A deformação para
ruptura é de 3,0%. Qual é, aproximadamente, o número de anos que esse
componente suportará sem fraturar nas condições apresentadas?
Na região secundária da fluência, a curva é aproximadamente
uma reta crescente. Dessa forma, utilizaremos o valor médio
para a velocidade de fluência. Logo, temos que:
Exemplo 2
Um material (superliga) foi desenvolvido nas várias instituições
universitárias do Brasil. Depois de quase dois anos, foi mostrado à
NASA para que um componente de um dos foguetes tivesse sua peça
composta do novo material. Os parâmetros apresentados afirmam que,
a 660°C a liga suporta tensão constante de 400MPa, tem como
velocidade de fluência mínima 8.10-7/h e tempo de vida, antes da
ruptura, de 4,5 anos. Por questões mecânicas, o componente a ser
utilizado no foguete pode ter acréscimo em seu comprimento de, no
máximo, 3,5%. Determine se a liga é adequada para a confecção do
componente de acordo com as especificações citadas.
8 ⋅ 10−7h−1
Solução 
 velocidade de fluência  =
Δε
Δt
= 8.10−7
Δt =
Δε
8.10−7
Δt =
0, 03
8.10−7
= 4, 3 anos 
Solução 
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Na região estacionária da fluência, uma boa aproximação é
considerar o valor médio para a velocidade de fluência. Dessa
forma, temos que:
Mas 4,5 anos dias Assim,
Conclusão: a superliga é adequada para a situação apresentada.
Ensaio de relaxação
Também conhecido como stress-relaxation test, esse ensaio de fluência
é relativamente diferente dos anteriores que avaliam a deformação
plástica do corpo de prova ao longo do tempo podendo, por vezes,
chegar à ruptura. No ensaio de relaxação, a deformação do corpo de
prova é mantida constante. Vale lembrar que a deformação total é
composta das parcelas elástica e plástica, ou seja:
Assim, como todos os três ensaios de fluência, as temperaturas são
altas, o que favorece os mecanismos de deformação plástica. Dessa
forma, a deformação plástica irá aumentando com o tempo.
 velocidade de fluência  =
dε
dt
≅
Δε
Δt
= 8 ⋅ 10−7
Δε = Δt ⋅ 8 ⋅ 10−7
= 1642, 5 = 39420h
Δε = (39420) ⋅ 8 ⋅ 10−7
Δε = 0, 0315
Δε = 3, 15%
εtotal  = εelástica  + εplástica 
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Para que a soma das deformações elástica e plástica
seja constante, deve-se atuar a fim de que a
deformação elástica diminua, o que é conseguido pela
diminuição da tensão atuante no CP durante o ensaio.
Dessa forma, nesse ensaio de fluência a tensão vai diminuindo com o
tempo, mas chegando próximo a um patamar horizontal. Veja agora um
ensaio de relaxação para um parafuso de aço-cromo-vanádio a 454°C:
Imagem 12: Ensaio de relaxação (fluência) de parafuso.
Conforme Souza (2019), o ensaio de relaxação:
Apresenta ampla utilização em flanges juntadas por parafusos ou
em montagens ajustadas a quente. Quando em serviço, a altas
temperaturas, a junção pode se tornar frouxa devido ao
alongamento excessivo dos parafusos sendo, portanto, um
inconveniente para a engenharia.
É realizado em fios, barras e cordoalhas de aço destinados a
armaduras protendidas, com ampla utilização na engenharia civil.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(Fundação Getúlio Vargas /FGV - IMBEL - Engenheiro - Metalurgia
2021 - adaptada). A fluência é a deformação plástica que ocorre em
um material ao longo do tempo, quando submetido a uma tensão
constante ou quase constante. A respeito da fluênciae seus
ensaios, assinale a afirmativa correta.
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Parabéns! A alternativa E está correta.
O ensaio de relaxação (fluência) é conduzido de tal forma que a
deformação no corpo de prova seja constante, havendo, portanto,
uma relaxação na tensão. Ensaios de fluência são extremamente
demorados, podendo chegar a um ano. No ensaio de fluência, a
temperatura e a tensão são controladas, a fim de que sejam sempre
constantes. Na fluência, devido às altas temperaturas, ocorre
deformação plástica ou permanente, mesmo para valores de tensão
inferiores aos valores de escoamento a temperatura ambiente. A
temperatura é a energia de ativação para os processos que levam à
deformação plástica.
Questão 2
(SELECON: EMGEPRON: 2021 - Engenheiro Mecânico - Usinagem
adaptada). Os materiais cerâmicos são largamente utilizados em
equipamentos mecânicos que operam em altíssimas temperaturas.
Uma consequência dessas condições é o efeito da fluência sobre o
material cerâmico. Então, para uma taxa de fluência estacionária de
uma cerâmica a 250°C igual a cuja deformação na
A
O ensaio de relaxação é realizado variando-se a
tensão.
B
Os ensaios de fluência são normalmente realizados
em uma semana.
C
O ensaio de fluência pode ser realizado sem o
controle da temperatura.
D
Um produto operando abaixo do seu limite elástico
tem vida útil indeterminada.
E
Os produtos podem apresentar deformação
permanente, mesmo sofrendo solicitações abaixo
do seu limite elástico.
5 × 10−7h−1
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ruptura é igual a 2,5%, pode-se afirmar que o tempo de trabalho até
a ruptura, considerando o ano com 365 dias, está entre
Parabéns! A alternativa C está correta.
O problema traz a taxa de fluência estacionária ou velocidade de
fluência que se apresenta com grande precisão como um valor
constante. Dessa forma, utilizando o valor médio para a velocidade
de fluência, temos que:
A 3,0 e 3,9 anos.
B 4,0 e 4,9 anos.
C 5,0 e 5,9 anos.
D 6,0 e 6,9 anos.
E 7,0 e 7,9 anos.
 velocidade de fluência  =
Δε
Δt
= 5.10−7
Δt =
Δε
5.10−7
Δt =
0, 025
5.10−7
= 50.000h = 2.083 dias  = 5, 7 anos 
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3 - Efeitos da tensão e da temperatura
Ao �nal deste módulo, você será capaz de identi�car os efeitos da tensão e da temperatura.
Vamos começar!
Quais são os efeitos da temperatura e
da tensão na �uência?
Conheça os efeitos que as variações na tensão aplicada ao corpo de
prova e/ou a variação da temperatura provocam no ensaio de fluência.
Generalidades da �uência:

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temperatura e tensão
De maneira menos formal, o fenômeno da fluência pode ser definido
como a deformação plástica de um componente ao longo do tempo, em
condições severas de temperatura (constante) e a dada tensão, também
constante. O material vai aumentando sua deformação permanente,
mesmo a um nível de tensão menor que a de escoamento para a
temperatura ambiente. Assim, temperatura e tensão são variáveis que
influenciam o fenômeno da fluência.
Resumindo
O aumento da tensão aplicada eleva a taxa temporal de deformação
 na fluência secundária (ou estacionária) e a temperatura
potencializa o movimento de defeitos, como as discordâncias. Dessa
forma, a temperatura serve como energia de ativação para a
deformação plástica.
Conforme apresentado, fluência é especialmente importante para as
condições de serviço tal que a temperatura seja maior que 40% da
temperatura de fusão do material, em Kelvin. Observe agora algumas
curvas de fluência para temperaturas e tensões diversas:
Imagem 13: Influência da temperatura e da tensão na curva de fluência.
A imagem anterior apresenta mudanças na curva de fluência a partir das
variáveis temperatura e tensão. Para temperaturas inferiores a 40% da
temperatura de fusão a deformação independe do tempo,
e só ocorre a deformação instantânea. Perceba que há uma deformação
inicial devido à tensão aplicada e, na sequência, a reta é horizontal.
Outras inferências, a partir do gráfico, são que: a deformação inicial (ver
o início das curvas) aumenta com o aumento da aplicação de tensões
de maiores intensidades, cuja taxa de fluência secundária aumenta
( dεdt )
T < 0, 4Tf ,
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(inclinação da parte linear da curva torna-se mais vertical) e o tempo de
ruptura por fluência diminui. Observe o eixo horizontal (tempo).
Curiosidade
Existem algumas ligas comerciais que têm elevada resistência à
fluência. Uma dessas ligas é o aço inoxidável, com alto teor do elemento
de liga cromo (Cr). Também estão nessa classe de materiais com boa
resistência à fluência, as denominadas superligas, ligas de níquel, (Ni),
cobalto (Co) e ferro (Fe). Por exemplo, o aço inoxidável AISI 304 sob
tensão constante, de aproximadamente 20kgf/mm2, e temperatura de
serviço de 1100°F, tem tempo de ruptura de cerca de 1000 horas.
Efeitos da tensão e da temperatura
Os três ensaios de fluência, convencional, de ruptura e de relaxação, são
influenciados pelos parâmetros do ensaio, ou seja, pela temperatura em
que se encontra o corpo de prova e pela tensão aplicada ao CP. Essa
análise pode ser feita a partir da curva resposta do ensaio que relaciona
a deformação com o tempo, isto é, a curva de fluência.
Variação da tensão aplicada
A próxima imagem mostra apenas a influência da tensão na curva de
fluência. A temperatura T é mantida a mesma (constante) para todos os
seis ensaios de fluência realizados.
Imagem 14: Curva de fluência para tensões distintas.
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Analisando essa imagem, é possível perceber que, com o aumento da
tensão aplicada ao corpo de prova, a deformação instantânea em
 é crescente. Ademais, para as tensões e não ocorre a
etapa da fluência terciária e, portanto, não há ruptura do corpo de prova.
A região linear de cada uma das seis curvas apresentadas corresponde
à fluência secundária, na qual a taxa temporal de deformação é
constante e mínima, e tem a inclinação aumentada, ou ainda, a
velocidade mínima de fluência aumenta. Também é possível perceber,
para os CPs que fraturam, que o tempo de ensaio diminui com o
incremento da tensão.
Variação da temperatura aplicada
A mesma análise feita para o ensaio de fluência, sob o efeito da
temperatura constante, pode ser realizada mantendo-se constante a
tensão ou a carga aplicada no CP, e variando-se a temperatura do ensaio
de fluência. Observe na próxima imagem que cinco ensaios de fluência
são conduzidos nas mesmas condições, exceto a temperatura aplicada,
que varia a cada ensaio.
Imagem 15: Curva de fluência para temperaturas distintas.
Vamos fazer algumas análise qualitativas e quantitativas da imagem
anterior. O par de eixos deformação versus tempo é individualizado em
três regiões (retas tracejadas) que correspondem às três fases da
fluência, já discutidas: fluência primária ou transiente, fluência
secundária ou estacionária e fluência terciária. Os ensaios com
temperaturas mais elevadas (os três últimos) mostram, na curva de
fluência, os três estágios bem identificados. Os dois primeiros ensaios,
conduzidos com temperaturas mais baixas, não têm o estágio em que
ocorre a ruptura do CP, o terceiro. Eles apresentam a fluência secundária
como uma reta aproximadamente horizontal, o que implica não ocorrer
deformação com o tempo. Em termos matemático, tem-se que:
(t = 0) σ1 σ2
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Na igualdade final, para os ensaios 1 e 2, a tensão constante, as
deformações permanecem iguais à deformação instantânea 
Resumindo
As variáveis temperatura e tensão alteram a curva de fluência e,
consequentemente, vários parâmetros que a curva fornece. Observa-se
a deformação instantânea, passando pela não ocorrência do estágio III
da fluência até o aumento da velocidade mínima de fluência. Outros
parâmetros foram abordados até aqui.
É frequente apresentar o gráfico resposta do ensaio de fluência com os
eixos em logaritmo decimal. Assim, os gráficos terão os dados de
maneira, aproximadamente, linear. Observe a imagem com a liga S-590
(ferro, cromo, níquel e cobalto).
Imagem 16: Curva Log da tensão versus Log do tempo de ruptura para diversas temperaturas.
Note que, para cada temperatura de ensaio, existem alguns segmentos
de relações lineares.
velocidade de fluência =
dε
dt
= 0
∫
εF
ε0
dε = ∫ 0 ⋅ dt
εF − ε0 = 0
εF = ε0
ε0.
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Aspecto matemático da in�uência da
temperatura e da tensão
Até este momento, mostramos a influência das variáveis temperatura e
tensão utilizadas nos ensaios de fluência de maneira qualitativa. Foi
possível observar a diminuição do tempo de ruptura, o aumento ou
diminuição da velocidade de fluência estacionária, dentre vários outros
parâmetros influenciados por mudanças na temperatura e/ou tensão no
ensaio de fluência.
Algumas equações empíricas serão utilizadas para o estudo do
fenômeno de fluência em materiais. A primeira dessas relações envolve
a taxa de deformação temporal no estágio secundário da fluência, ou
ainda, a velocidade mínima de fluência, cuja expressão matemática é
dada por:
A equação que relaciona a tensão e a velocidade mínima de fluência é:
Em que e são constantes para o material que, por vezes, é
experimentalmente determinado. A partir da expressão matemática
anterior, é possível aplicar logaritmo decimal em cada lado da
igualdade.
Plotando-se os dados de e teremos gráficos lineares,
veja:
ε̇m =
dε
dt
ε̇m = K1 ⋅ σ
n1
K1 n1
ε̇m = K1 ⋅ σ
n1
log (ε̇m) = log (K1 ⋅ σ
n1)
log (ε̇m) = log (K1) + log (σ
n1)
log (ε̇m) = log (K1) + n1 ⋅ log(σ)
log (ε̇m) log(σ),
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Imagem 17: Curva Log da tensão versus Log da velocidade mínima de fluência.
Os dados dos ensaios de fluência a temperaturas de 650°C, 730°C,
815°C e 925°C, que originaram o gráfico da imagem anterior, foram
coletados a partir dos ensaios com a mesma liga S-590 (ferro, cromo,
níquel e cobalto).
Dica
Conforme Garcia (2017), o gráfico da imagem 17 é outra forma de
revelar os dados oriundos do ensaio de fluência. Deve ser utilizado em
projetos e as taxas podem ser apresentadas, por exemplo, em %/h, h-1,
s-1 etc.
A fluência tem fenômenos, como o deslizamento de discordâncias, que
são ativados termicamente. Assim, é possível utilizar a equação de
Arrhenius para escrever a relação entre a velocidade mínima de fluência,
a tensão e a temperatura, conforme a equação:
Em que:
 e – são constantes dependentes do material.
 – é a energia de ativação para o fenômeno.
 – é a constante universal dos gases.
 – é a temperatura, em Kelvin 
É possível confeccionar um gráfico tensão versus temperaturas
denominado Mapas de Mecanismos de Deformação (MMD) que é
ε̇m = K2 ⋅ σ
n ⋅ e
(
−Qfluência 
RT
)
K2 n
Qfluência 
R
T (K = C + 273).
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dividido em regiões com mecanismos dominantes na fluência para
condições diferentes. Em resumo, temos que:
Veja agora um esboço da curva MMD, também denominada Weertman-
Ashby:
 Região em que a tensão e a temperaturas
são baixas
Ocorre a deformação elástica, como efeito
predominante.
 Região em que as temperaturas são altas
A fluência por difusão é predominante, em relação
ao movimento de discordâncias, quando a tensão é
baixa.
 Região em que as temperaturas são baixas
O mecanismo de difusão no contorno de grão é
mais importante do que a difusão no grão,
denominada bulk diffusion.
 Região em que a tensão é elevada
A fluência por movimentação por discordâncias é o
fenômeno predominante.
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Imagem 18: Mapas de Mecanismos de Deformação.
Parâmetro de Larson-Miller
A fluência é um aspecto fundamental a ser considerado por projetistas
quando os componentes e/ou estruturas forem submetidos a condições
de serviço em elevadas temperaturas, normalmente maiores que
 Dentre os principais sistemas em que a fluência tem
destaque, podemos citar:
As turbinas dos motores a jato de aviões
0, 4 ⋅ Tfusão.
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As turbinas utilizadas em instalações
petrolíferas
Os reatores nucleares
O projeto para esses sistemas prevê vida útil na ordem de 104 a 105
horas, ou seja, de alguns anos. Dessa forma, é inviável testar
experimentalmente (em laboratórios) novas ligas para avaliar a vida útil
em fluência, além de se considerar o custo associado. Por esse motivo,
muitos ensaios de fluência são interrompidos depois de algumas horas
(no estágio de fluência secundária ou estacionária) e modelos
matemáticos de extrapolação são aplicados para determinar a vida útil
do material para a fluência.
Por exemplo, Larson e Miller analisaram o método proposto por Grant e
Buckling, e desenvolveram seu modelo, definindo o parâmetro de
Larson-Miller, matematicamente expresso por:
Em que:
 – é a temperatura, em Kelvin.
 – é o tempo de ruptura, dado em horas.
 – (constante de Larson-Miller) é uma constante com valor em
torno de 20, apresentada em horas.
A tabela a seguir traz alguns valores da constante de Larson-Miller (C)
para algumas ligas ferrosas:
Liga C (h)
Aço de baixo carbono 18
T ⋅ [C + log (tr)] = constante
T
tr
C
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Liga C (h)
Aço inoxidável 304 18
Aço inoxidável 18Cr – 8Mo 17
Aço 2,25Cr – 1Mo 23
Aço S-590 20
Aço Cr-Mo-Ti-B 22
Aço inoxidável austenítico 316 com Ti 20
Tabela: Valores para a constante de Larson-Miller.
Garcia, Spim e Dos Santos, 2017, p.208.
Atenção!
c: constante de Larson-Miller parâmetro de Larson-Miller
 constante 
Veja o gráfico do logaritmo da tensão versus o parâmetro de Larson-
Miller para a liga S – 590. Note que a curva tem três regiões lineares:
Imagem 19: Curva do modelo de Larson-Miller.
Como utilizar o gráfico proposto pelo modelo de Larson-Miller para
estimar o tempo de ruptura para componentes, sob o fenômeno da
X
(T ⋅ [C + log (tr)] = )
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fluência? Vejamos!
Exemplo
Um componente constituído da liga S-590 está submetido a uma tensão
constante de 140MPa e temperatura, também constante, de 800°C.
Estime a vida desse componente até a ruptura por fluência.
Inicialmente, a temperatura deve estar em Kelvin. Assim,
. Utilizando a imagem 19, é possível
determinar, aproximadamente, o parâmetro de Larson-Miller, a
partir da tensão de . O valor aproximado é de .
Agora temos que:
Solução 
T = 800 + 273 = 1073K
140MPa 24 ⋅ 103
T ⋅ [20 + log (tr)] = 24 ⋅ 10
3
 1073.  [20 + log (tr)] = 24 ⋅ 10
3
20 + log (tr) = 22, 37
log (tr) = 2, 37
tr = 233 h
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
(Petrobras - CESGRANRIO - 2018 - Engenheiro de Equipamentos
Júnior Inspeção - adaptada). A imagem abaixo apresentatrês
curvas esquemáticas de fluência de um mesmo material
policristalino.
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A taxa de fluência do estágio secundário aumenta da curva I para a
III como resultado das seguintes alterações nas condições
experimentais:
Parabéns! A alternativa C está correta.
A temperatura e a tensão aplicadas no ensaio de fluência
influenciam a curva de fluência. Em linhas gerais, aumento de
temperatura faz com que as curvas tenham maior inclinação.
Assim, para uma tensão constante o ensaio que resultou na curva
III foi o de maior temperatura. Em relação ao tamanho de grão (TG),
a taxa de fluência aumenta com o refino da microestrutura. 
A
Aumento do tamanho de grão médio e redução da
tensão aplicada para uma mesma temperatura.
B
Aumento do tamanho de grão médio e redução da
temperatura do ensaio para uma mesma tensão
aplicada.
C
Aumento simultâneo da tensão aplicada e da
temperatura do ensaio para um mesmo tamanho de
grão.
D
Redução simultânea da tensão aplicada e da
temperatura do ensaio para um mesmo tamanho de
grão.
E
Redução da tensão aplicada para uma mesma
temperatura e tamanho de grão.
O
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aumento do TG e a redução da tensão aplicada aumentam o tempo
de fratura. Da mesma forma, para a diminuição da temperatura. O
gráfico, a partir da curva I mostra a diminuição do tempo para a
ruptura.
Questão 2
(GARCIA, A.; SPIM, J. A.; DOS SANTOS, C. A. Ensaios dos Materiais.
2. ed. RJ, LTC, 2017, p. 209 - adaptado ). Um componente é
fabricado em liga S-590 e as condições de serviço são tais que o
fenômeno da fluência (deformação ao longo tempo) está presente.
Suponha que tanto a tensão aplicada quanto a temperatura sejam
constantes e valham, respectivamente, e . A
seguir é mostrado um gráfico da tensão versus o parâmetro de
Larson-Miller.
Determine o tempo de ruptura, por fluência, desse componente, nas
condições de serviço mencionadas.
400MPa 600∘C
A 795 dias
B 452 dias
C 127 dias
D 49 dias
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Parabéns! A alternativa E está correta.
O eixo das abcissas está em ; logo, a temperatura deve estar
em Kelvin. Assim, . Como a tensão de
trabalho é de , traçando uma horizontal, a partir desse
valor, a interseção com o gráfico é tal que a abscissa é
aproximadamente 20. Portanto:
4 - Fratura por �uência
Ao �nal deste módulo, você será capaz de reconhecer a fratura por �uência.
E 34 dias
K − h
T = 600 + 273 = 873K
400MPa
 T.  [20 + log (tr)] = 20 ⋅ 10
3
 873.  [20 + log (tr)] = 20 ⋅ 10
3
20 + log (tr) = 22, 91
log (tr) = 2, 91
tr = 10
2,91
tr = 812h
tr = 33, 8 dias 
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Vamos começar!
Entendendo a fratura por �uência
Conheça agora os aspectos de formação da trinca que leva à fratura, as
micrografias de superfícies fraturadas por fluência, ligas e processos
para o aumento da resistência à fluência.
Aspectos gerais da fratura
Intuitivamente, é possível definir fratura de forma macroscópica,
supondo uma peça metálica única que, por uma razão desconhecida,
leva à formação de duas ou mais partes denominadas superfícies de
fratura. Microscopicamente, pode se imaginar que os átomos têm suas
ligações químicas quebradas por ação física ou química. A seguir,
vemos dois corpos de prova fraturados após o ensaio mecânico de
tração uniaxial. Nota-se o surgimento da superfície de fratura, em
virtude da fratura. 0 estudo dessa superfície é conhecido como
fractografia.

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Imagem 20: Corpos de prova fraturados, após execução do ensaio de tração.
O nosso objetivo é compreender a fratura que ocorre quando as
condições de fluência são favoráveis, ou seja, quando a temperatura em
serviço é alta, superior a 40% da temperatura de fusão do material, em
Kelvin. Porém, antes de se fazer uma suscinta descrição de alguns tipos
de fratura, lembramos que a separação das partes (a fratura) pode
ocorrer com apreciável deformação plástica ou com pouca ou nenhuma
deformação plástica. No primeiro caso, estão as fraturas dúcteis e, no
segundo, as fraturas frágeis. Aprederemos mais sobre tais fraturas a
seguir!
Fratura dúctil
Nessa fratura há uma apreciável deformação plástica, ocorrendo uma
redução acentuada na seção reta do componente. Com a redução da
seção reta e, supondo que a carga aplicada seja constante, a tensão
aumentará a um nível no qual ocorrerá a fratura. Nesse tipo de fratura,
três regiões são características: a fibrosa, a radial e a cisalhada.
Observe, sob duas vistas, as regiões citadas:
Imagem 21: Fratura dúctil e suas regiões.
Corpos de prova dúcteis ensaiados sob tração apresentam a
denominada fratura taça-cone. Observe a imagem em que as duas
partes do CP remetem à ideia de uma taça e de um cone:
Imagem 22: Fratura taça-cone em CP de ensaio de tração.
Fratura frágil
Nessa fratura há pouca deformação plástica e a trinca pode percorrer os
contornos dos grãos cristalinos (intergranular) ou por meio do grão,
transgranular. Observe as imagens:
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Imagem 23: Fratura frágil transgranular.
Transgranular
Ocorre o fenômeno da clivagem, ou ainda, a separação dos
planos cristalinos.
Na imagem 23(a) a trinca se propaga por dentro do grão
ocorrendo a separação dos planos cristalinos por clivagem. A
imagem 23(b) é de microscopia eletrônica de varredura da
superfície de fratura.
Imagem 24: Fratura frágil intergranular.
Intergranular
Pode ocorrer a fragilização do contorno de grão depois de
algum processo que reduz ou fragiliza a coesão entre os grãos,
como soldagem, tratamentos térmicos etc.
Na imagem 24(a), a trinca se propaga por entre os grãos. A
imagem 24(b) mostra a superfície de fratura em que se
destaca o aspecto tridimensional dos grãos cristalinos
(decoesão).
A fratura frágil é a mais preocupante, uma vez que não dá sinais para
que o engenheiro possa intervir e fazer a correção ou a substituição de
um ou mais componentes. Conforme Cassio (2021), dois exemplos
históricos revelam o comportamento catastrófico das fraturas frágeis. O
navio Titanic, em 1912, e o navio Liberty. Observe as imagens:
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Imagem 25: Fratura frágil no navio Titanic.
Imagem 26: Fratura frágil no navio Liberty.
Alguns metais dúcteis se comportam como frágeis a baixas
temperaturas. É a transição dúctil-frágil. Conforme Cassio (2021), as
duas fraturas mostradas nas imagens 25 e 26 ocorreram devido à
transição dúctil-frágil, nas águas geladas do Atlântico Norte.
Fratura por fadiga
O fenômeno da fadiga está associado a ciclos de tensões a que um
componente mecânico fica submetido. Em regra, apresenta três fases:

Nucleação da trinca

Propagação da trinca

Fratura catastró�ca
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Eixos de automóveis, molas do comando de válvula de motores,
componentes aeronáuticos etc. estão sob condições de fadiga. A
análise da superfície da fratura por fadiga tem alguns aspectos
peculiares, como as marcas de praia, estrias etc. As duas próximas
imagens são superfícies de fratura por fadiga em componentes
mecânicos. Veja:
Imagem 27: Superfície de fratura por fadiga - macro.
A partir da imagem 27, é possível inferir que houve a nucleação de uma
trinca na região branca da imagem. O ciclo de carregamento
potencializou a propagação da trinca que culminou comuma falha
catastrófica, indicada na imagem pela região fibrosa e cinza.
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Imagem 28: Superfície de fratura por fadiga - estrias.
A imagem 28 foi feita por meio do microscópio eletrônico de
transmissão (MET) com aumento de 9000 vezes, destacando as estrias
de fadiga em uma peça de alumínio.
Fratura por �uência
Nesse ponto, será feita a abordagem da superfície de fratura de um
componente que fraturou em decorrência das condições de serviço,
propícias ao fenômeno da fluência.
A fluência é a deformação plástica com o tempo,
mesmo quando o componente está sujeito a tensões
abaixo da tensão de escoamento.
Uma das condições é que a temperatura de serviço seja alta, ou seja,
superior a 40% da temperatura de fusão do material e carregamento
constante. A altas temperaturas, as deformações plásticas decorrem da
movimentação de discordância e do escorregamento de contornos de
grão. Portanto, sob uma carga constante e em condições de serviço em
alta temperatura (constante), uma trinca pré-existente crescerá lenta e
gradualmente devido aos mecanismos ligados à fluência até que ocorra
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a falha final, a fratura por fluência que, em regra, é um processo dúctil,
que envolve crescimento e coalescência de microvazios.
A fratura por fluência (temperaturas acima de ) pode ocorrer
por três modos distintos, veja:
Imagem 29: Modos de fratura a altas temperaturas - fluência.
A imagem 29 (a) mostra a fratura devido à redução excessiva
da seção resistente. Em regra, nessa situação o fenômeno de
recristalização dinâmica evita a nucleação interna de micro
vazios.
Imagem 29: Modos de fratura a altas temperaturas - fluência.
Na imagem 29 (b) ocorre o crescimento de vazios e a fratura
por fluência é tipicamente transgranular.
Imagem 29: Modos de fratura a altas temperaturas - fluência.
0, 4 ⋅ Tf
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Na imagem 29 (c) ocorre a nucleação de microvazios nos
contornos de grão e a fratura por fluência é tipicamente
intergranular, ocorrendo em níveis de tensões e taxas de
deformações inferiores às da fratura transgranular.
De acordo com o que afirma Garcia (2017), as principais etapas do
processo de fratura a temperaturas elevadas (fluência) podem ser
resumidas em:
Formação de microcavidades nos contornos de grão (CG),
principalmente em pontos triplos (encontro de três grãos
cristalinos);
Aumento das microcavidades;
Formação e coalescimento de microtrincas;
Formacão de macrotrincas e, por fim, a ruptura.
Normalmente, a fratura por fluência ocorre de maneira dúctil. Há a
nucleação de microvazios em contornos de grão ou nos pontos triplos.
A falha final do material, devido às condições de fluência, se dá por
fratura intergranular, pois ocorre a junção de microfissuras ou vazios ao
longo dos contornos de grão. Observe a superfície de fratura nas
seguintes imagens:
Imagem 30: Microvazios em pontos triplos - fluência.
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Na micrografia da imagem 30, é possível observar microvazios em
pontos triplos do encontro de grãos cristalinos.
Imagem 31: Trinca intergranular na fluência.
A imagem 31 revela o caminho percorrido por uma trinca em material
policristalino sob condições de fluência. É claro observar a propagação
da trinca de maneira intergranular, ou seja, pelos contornos de grão.
Para reforçar os conceitos descritos a respeito da fratura por fluência, a
próxima imagem mostra o mecanismo de nucleação de microvazios em
contornos dos grãos, bem como o percurso da propagação da trinca
intergranular. A imagem foi feita por microscopia eletrônica de varredura
em liga Nimonic 105 (liga de Ni , Cr , Mo , Co) , submetida a 800°C.
Imagem 32: Trinca intergranular na fluência.
Ligas metálicas resistentes à �uência
A engenharia tem demandado cada vez mais ligas, metálicas ou não,
para condições de serviço em que altas temperaturas são exigidas. Por
exemplo, a turbina do motor a jato de um avião tem seus componentes
submetidos a temperaturas extremamente elevadas. Os reatores
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nucleares também têm essa demanda com o agravante de que
manutenções não devem ocorrer com grande frequência. Assim, os
engenheiros e pesquisadores da área de Ciência dos Materiais têm
desenvolvido ligas com elevada resistência à fluência.
Na fluência, a temperatura potencializa o movimento
de discordâncias. Portanto, o endurecimento de uma
liga por solução sólida ou por meio de precipitados
eleva sua resistência à fluência.
De acordo com Souza (2019), os aços ferríticos com altos teores de
cromo e molibdênio foram os primeiros desenvolvidos para resistir à
fluência. Contudo, são usados a temperaturas da ordem de 550°C, pois
apresentam grande suscetibilidade à oxidação.
Uma liga de níquel-cromo-titânio-molibdênio-cobalto, denominada de
Nimonic, tem grande aplicação em componentes mecânicos, nas
condições de operação de fluência. É uma matriz de níquel endurecida
com os precipitados intermetálicos dissolvidos, sendo conhecida como
uma superliga. Muitas outras ligas foram desenvolvidas com o intuito de
aumentar a resistência à fluência, mas um enorme campo de pesquisas
ainda pode ser explorado com a mesma finalidade.
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Falta pouco para atingir seus objetivos.
Vamos praticar alguns conceitos?
Questão 1
Muitas são as indústrias que demandam ligas que possam ser
operadas em ambientes em que as temperaturas são elevadas, sem
que ocorram falhas. Um fenômeno típico de altas temperaturas é a
fluência. A respeito das fraturas por fluência, são feitas as
seguintes afirmações:
I. As fraturas por fluência ocorrem a partir de uma trinca
preexistente no componente, e as altas temperaturas
potencializam o crescimento e a coalescência de microvazios,
levando a uma fratura frágil e catastrófica.
II. É comum, no processo que culminará com a fratura por
fluência, o coalescimento de microporosidades em pontos
triplos da estrutura do material, ou seja, no encontro de três
grãos cristalinos.
III. O aspecto da superfície de um componente que fraturou devido
à fluência é semelhante à superfície de fratura por fadiga, pois
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ocorrem as marcas de praia, indicando a fase lenta e gradual
da propagação da trinca intragranular.
Parabéns! A alternativa B está correta.
A fratura por fluência tem comportamento dúctil e inicia-se com a
nucleação de microvazios que coalescem formando microtrincas
que gradualmente se propagam. As microporosidades em
decorrência da fluência coalescem nos contornos de grão ou nos
pontos triplo. fractografia de uma fratura por fluência não são
observadas marcas de praia, característica do carregamento cíclico
que ocorre no fenômeno da fadiga.
Questão 2
A imagem a seguir, obtida por meio do microscópio eletrônico de
varredura (MEV), mostra a superfície de um componente que
operou em condições severas de temperatura e tensão constante
(fluência). Analisando a imagem é possível inferir que
A Apenas a afirmativa I.
B Apenas a afirmativa II.
C Apenas a afirmativa III.
D Apenas as afirmativas I e II.
E Apenas as afirmativas II e III.
Na
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Parabéns! A alternativa B está correta.
A micrografia da imagem revela nitidamente os contornos de grão
do material policristalino.Está evidenciado o coalescimento de
vazios em um ponto triplo da estrutura cristalina. Não há evidências
de trincas na imagem nem de marcas de praia, típicas de fratura por
fadiga.
A
a imagem apresenta um material monocristalino
que é uma das maneiras de aumentar a resistência
à fluência.
B
a imagem revela um material policristalino que, na
união de três grãos cristalinos (ponto triplo), fica
evidenciado um vazio.
C
a imagem mostra um material policristalino e as
marcas de praia, típicas de materiais submetidos às
condições de fluência.
D
a imagem apresenta uma trinca intergranular,
possivelmente devido à fratura por fluência.
E
a imagem mostra um material monocristalino com
pequenos vazios visíveis e uma região com grande
precipitação de segunda fase.
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Considerações �nais
O ponto central deste conteúdo foi o fenômeno da fluência. Inicialmente,
foram introduzidas situações de engenharia em que os componentes
e/ou estruturas trabalham em condições de serviço que potencializam a
fluência. Foi feita uma abordagem do fenômeno e das condições de
ocorrência (temperaturas elevadas e tensão constante) da fluência.
Também foram apresentadas algumas ligas de alta resistência à
fluência, bem como a solidificação direcional que possibilita aumentar a
resistência. Em seguida, foi mostrada a curva resposta do ensaio de
fluência que relaciona a deformação do corpo de prova com o tempo.
Nesse gráfico foi feita uma abordagem dos três estágios: fluências
primária, secundária e terciária, sendo levantados alguns aspectos
matemáticos e metalúrgicos de cada região. Os três ensaios de fluência
foram discutidos: o convencional, o de ruptura e o de relaxação.
Ademais, fizemos uma abordagem qualitativa da influência da variação
de temperatura ou da tensão nas curvas de fluência, destacando-se os
principais parâmetros que sofrem influência. A partir de equações
empíricas, foi mostrado o modelo de Larson-Miller, em que o parâmetro,
de mesmo nome, possibilita estimar o tempo de ruptura de um
componente, sob as condições de fluência (temperatura e tensão
dadas).
Por fim, trouxemos a abordagem da fratura em decorrência da fluência e
apresentamos as ligas com alta resistência à fluência.
Podcast
Para encerrar, ouça os assuntos mais relevantes do conteúdo que você
acabou de estudar.
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Confira a indicação separada especialmente para você!
Aproveite para ler o trabalho apresentado no 67º Congresso ABM –
Internacional, Estudo de Fluência e Mecanismos de Fratura da Superliga
Inconel 718 Envelhecida , 2012, Rio de Janeiro, disponível na internet.
Referências
ASHBY, M. F.; BROWN, L. M. . Perspectives in creep fracture. 1. ed. UK,
Pergamon Press Ltd, 1983.
CALLISTER, W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e engenharia de materiais:
uma Introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2016.
CASSIO, B. Fundamentos da análise fractográfica de falhas de materiais
metálicos. São Paulo, Blucher, 2021.
CHAWLA, K. K.; MEYERS, M. A. Princípios de metalurgia mecânica. 8.
ed. São Paulo: Blucher, 1982.
DIETER, G. E.Metalurgia Mecânica. 2. ed. [s.l]: Guanabara Dois, 1981.
DOWD, NOEL O’. Advanced fracture mechanics. Imperial College
London, Department of Mechanical Engineering, 2002.
GARCIA, A.; SPIM, J. A.; SANTOS, C. A. Ensaios dos materiais. 2. ed. Rio
de Janeiro: LTC, 2017.
SOUZA, S.A. Ensaios mecânicos de materiais metálicos. 5. ed. São
Paulo: Blucher, 2019.
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