Ensaios de Fluência

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ENSAIOS MECÂNICOS (ME119)
Turma MM – Armando Shinohara
Trabalho sobre Ensaios de Fluência (Creep Testings)
 
 
Aluno: Henrique Chaves Brito Coelho
Curso: Engenharia Mecânica
Data de entrega: 02/06/2014
 
 									 Recife, 20 de maio de 2014
Sumário
Fluência: páginas 1 e 2;
Ensaios de Fluência: páginas 3, 4 e 5;
Gráficos: página 5;
Estágios da Fluência: páginas 6 e 7;
Bibliografia: página 8.
1.1. Fluência.
Figura 1: estrutura interna de um metal, ponto de partida para o estudo da fluência
	A fim de um entendimento sólido sobre os ensaios de fluência, é indispensável primeiramente conceituar o fenômeno que permite sua aplicação: fluência é a deformação permanente (portanto, plástica; não mais elástica) observada em materiais, peças e sistemas que sofrem esforços externos (cargas ou tensões) aproximadamente constantes ao longo do tempo, ou seja, representa as mudanças que ocorrem na estrutura interna do material após vários momentos da aplicação das forças.
	Como a deformação de fluência pode ser observada em qualquer material, seu estudo se torna importantíssimo para projetos, principalmente no que tange ao dimensionamento dos componentes e aos critérios de falha. Nesta disciplina, é dada atenção especial aos materiais metálicos; para eles, a fluência apenas se mostrará mensuravelmente relevante para temperaturas de no mínimo 40% da temperatura absoluta de fusão (derretimento) do metal estudado. Num gráfico deformação-temperatura, ver-se-á uma variação de tamanho de interesse a partir de T = 0,4 Tf.
	Já no caso de polímeros amorfos, tais quais plásticos e borrachas, a deformação por fluência é ainda mais relevante numericamente; pela estrutura interna mais fraca (ligações de Van der Waals são menos fortes do que ligações metálicas), os polímeros são bem mais sensíveis à fluência. Para esses materiais, mensuráveis deformações fluentes ocorrem acima da temperatura de transição vítrea, temperatura que separa a região de comportamento sólido do comportamento líquido, em qualquer sólido análogo ao vidro.
	O estudo dos ensaios de fluência é feito após estudos mais simples, como o de tração. Sabe-se, dos ensaios anteriores, que existe sempre uma quantidade de esforço incapaz de causar deformação permanente, quando considerados pequenos intervalos de tempo. Será que isso significa que um produto construído para suportar um determinado esforço estático (abaixo de seu limite de elasticidade) durará para sempre? Não, por conta da fluência.
	É um fenômeno mais relevante para os casos de materiais que trabalham ou são exigidos a temperaturas mais elevadas e a tensões mecânicas ao menos aproximadamente estáticas; por exemplo, geradores a vapor, rotores de turbinas de aeronaves, turbinas a vapor e a gás, condutores de altas temperaturas, fornos, caldeiras, componentes de motores de combustão interna, estruturas gerais de veículos espaciais e permutadores de calor. Como, apesar de a tensão ser constante, o corpo ainda assim pode sofrer deformação, é imprescindível o estudo da estrutura interna do corpo – o que ajuda a entender o porquê do fenômeno. 	É importante destacar que a fluência é causada pela temperatura, sempre, pois a resistência mecânica tende a diminuir com o aumento da temperatura, como a figura abaixo esclarece. 
Figura 2: importância da temperatura no ensaio de fluência
	Microscopicamente, há uma elevação na medida da difusão (movimentação e mobilidade) dos átomos, elementos básicos do material, e das discordâncias, falhas que permitem reais mudanças internas nos materiais quando da aplicação de cargas externas, pois que são defeitos ou irregularidades na estrutura cristalina, a qual seria perfeita e portanto dificílima de ser alterada. À movimentação das discordâncias dá-se o nome de escalagem.
	Pode haver, devido à difusão, transporte de átomos, seja ao longo de contornos de grão (Fenômeno de Coble), seja através da látice (Fenômeno de Nabarro-Herring). Todos os mecanismos citados podem atuar independentemente ou cooperativamente. A figura abaixo mostra a escalagem.
Figura 3: escalagem (movimentação de discordâncias)
	Uma temperatura elevada causa também a participação de novos sistemas de deslizamento (cisalhamento) e uma mais fácil deformação nos contornos de grão, também defeitos, pontuais, das estruturas cristalinas. Por fim, a maior agitação das moléculas facilita interações com o meio ambiente. Ressalta-se que cobre (Cu) e chumbo (Pb) apresentam fluência à temperatura ambiente.
	Gradientes positivos de temperatura também causam o que segue: diminuição do ponto de cedência (limite de escoamento), diminuição do módulo de eslasticidade, diminuição da tensão de ruptura e aumento da ductilidade. 
1.2. Ensaios de Fluência.
Figura 4: rascunho do que ocorre num ensaio de fluência do ponto de vista do corpo de prova
 
	Corpos de prova a temperaturas constantes são sujeitos a cargas. A deformação do comprimento do corpo é, então, medida e traçada graficamente em função do tempo decorrido, até a fratura; assim: ε = ε(t). A contínua deformação do provete pode ser didaticamente dividida em três etapas subsequentes, por ordem: fluência primária, fluência secundária e fluência terciária. Às vezes, a carga pode ser o próprio peso do corpo.
	Na primeira, ao ser aplicada a carga, a deformação ocorrente é elástica e instantânea – e é seguida por uma deformação plástica que tem sua intensidade diminuída gradualmente até se tornar constante, pois que o material encrua.	
	Na segunda, a velocidade de deformação continua constante e, devido à estabilidade decorrente da constância, configura-se como a etapa mais longa.
	Na terceira, o material do corpo de prova se deforma muito rapidamente até a ruptura. O aumento da velocidade de deformação é devido à diminuição da área real (área da secção útil do corpo de prova), o que causa um aumento da tensão aplicada, já que a tensão é uma força distribuída (pressão) pela área; com a diminuição da área – e considerando uma carga constante, a tensão é aumentada e o material se deforma mais rapidamente.
	A importância prática dos ensaios para a Engenharia varia deste motores a jato, turbinas a vapor e instalações petroquímicas até reatores nucleares. Muitas vezes a questão da fluência nos materiais é estudada concomitantemente à resistência à oxidação, outra propriedade temporal e importante.
	A padronização dos corpos de prova é, geralmente, cilíndrica – e busca-se uma solicitação uniaxial, já que cargas em duas ou mais dimensões podem causar alterações internas difíceis de serem estudadas. Os procedimentos seguem a norma ASTM E139 (Standard Test Methods for Conducting Creep, Creep-Rupture and Stress-Rupture Tests of Metallic Materials). Existem três tipos básicos: Ruptura por Fluência, Fluência à Carga e Temperatura Constantes e Relaxação.
	Ruptura por Fluência: neste caso, o ensaio tem como objetivo medir o efeito da temperatura na capacidade de suporte de carregamento para longos períodos de aplicação. A medida final é o tempo t necessário para ruptura da amostra. Nalguns casos, os corpos são colocados dentro de fornos. Além disso, o tempo de ensaio pode demorar vários meses, até anos, motivo pelo qual é raro que um corpo de prova seja ensaiado até a ruptura. Em geral, temperatura e tensão mantidos constantes. A figura a seguir mostra como os tempos tendem a aumentar com uma menor tensão sigma.
Figura 5: ensaio de Ruptura por Fluência
	Carga e Temperatura Constantes: são utilizados quandoo objetivo principal é o traçado da curva de comportamento do material. É medida a variação do comprimento da peça durante o ensaio. É o ensaio de fluência propriamente dito. Em geral, são usados dois anéis base para base de comprimento útil, como ilustra o gráfico a seguir.
Figura 6: definição de anéis-base no Ensaio à Carga e à Tensão Constante
 	
	Relaxação: espera-se redução da tensão causada pela manutenção de uma extensão constante. Através da Mecânica dos Sólidos, infere-se que, apesar de o estado de tensões tender à nulidade, haverá deformação residual. O ensaio de relaxação elimina essa dificuldade, produzindo dados sobre velocidade de fluência/tensão numa gama variada de velocidades, com apenas um corpo de prova. A maioria dos ensaios de relaxação duram de 1.000 a 2.000 horas. Os resultados não têm relação direta com aplicação prática e são extrapolados empiricamente para situações reais. A principal desvantagem deste ensaio prende-se às exigências do equipamento, cujo sistema de medição de força deve permitir medições precisas de pequenas variações de carga ao longo do tempo. Outro aspecto delicado na realização deste tipo de ensaio é a necessidade de um estreito controle da temperatura da sala onde se encontra o equipamento, pois mesmo pequenas flutuações da temperatura provocam efeitos de dilatação nos componentes da máquina, que podem alterar os resultados.
1.3. Gráficos. 
	Assim como nos demais ensaios, as características e propriedades de um material – representado por um corpo de prova definido e padronizado – são ilustradas através de gráficos. Na figura abaixo, pode-se ver que o gráfico é do tipo tempo x deformação: na abcissa percebe-se que a variação do tempo é tomada como parâmetro principal de mudança no provete; na ordenada, vê-se que há, de fato, um aumento no comprimento inicial do corpo, ou seja, l = l(t).
	
Figura 7: gráfico de ensaio de fluência num corpo de prova de cobre
1.4. Estágios da Fluência.
	
	Como mostrado no tópico 1.2, há três estágios que compõem o ensaio de fluência. São eles o primário (transiente), secundário (constante) e terciário (instável).
Figura 8: separação de um ensaio de fluência em primário, secundário e terciário
	Regime I: quando da aplicação inicial da tensão, já ocorre uma deformação lo virtualmente instantânea. A velocidade de aumento da deformação é extremamente elevada, no entanto diminui com o passar do tempo. Ocorre nas primeiras horas. Há o encruamento (endurecimento por deformação plástica) do material da peça. O encruamento é a modificação da estrutura dos metais, no qual a deformação plástica realizada abaixo da temperatura de recristalização causa um endurecimento e um aumento da resistência do material. A deformação plástica é devida aos movimentos de discordâncias e outras imperfeições e também aos campos de tensões internas criados devido às falhas e obstáculos; tais interações levam a uma redução na mobilidade das discordâncias, o que pede uma maior tensão para deformação plástica. O primeiro estágio é ainda mais importante a temperaturas não tão elevadas, pois com gradiente positivo os efeitos do aumento da resistência podem ser diminuídos até a originalidade.
	Regime II: neste período estacionário, a velocidade de aumento da deformação é constante. Estágio de duração mais longo. Equilíbrio entre os processos de encruamento e recuperação. O estágio secundário da fluência é o mais longo e importante. A taxa de fluência nele é dada por: inclinação da curva = velocidade de fluência, como ilustra o gráfico que segue:
 
 Figura 9: separação das três fases da fluência e taxa de fluência
	Regime III: aqui, a extensão do corpo de prova aumenta rapidamente, até a ruptura. Não apenas se observa um aumento na velocidade, como também na aceleração da taxa de fluência; antes da ruptura, há estricção. Há uma grande taxa de deformação até a ruptura, devido à formação de trincas, às separações de contornos de grão, à formação do pescoço, etc. Em geral, interrompe-se o teste antes do final do terceiro estágio.
1.5. Bibliografia.
Sites: 
http://ltodi.est.ips.pt/rbaptista/cmm/Download/Acetatos/CT4/Introdu%C3%A7%C3%A3o%20-%20T4-1-2.pdf;
;
http://sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/471420/LOM3010/Ensaios_Cap9_Fluencia.pdf;
http://www.astm.org/COMMIT/SUBCOMMIT/E2804.htm;
http://www.ebah.com.br/content/ABAAABZUoAK/ensaio-fluencia;
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAzaMAD/ensaio-fluencia;
http://bizuando.com/material-apoio/icmat/8_Fluencia.pdf;
http://pt.wikipedia.org/wiki/Encruamento;
http://pt.wikipedia.org/wiki/Temperatura_de_transi%C3%A7%C3%A3o_v%C3%ADtrea;
Figuras:
http://i00.i.aliimg.com/photo/v6/534244612/Concrete_Creep_Testing_Machine.jpg;
http://www.dicyt.com/data/66/29366.jpg