Trabalho de Fluência

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TRABALHO DE FLUÊNCIA
ALUNO: RENAN CARDOSO DE OLIVEIRA 		201309050953
FLUÊNCIA
O comportamento do material estrutural utilizado em altas temperaturas não pode ser previsto unicamente por um ensaio de ruptura por tração. A deformação induzida em uma barra de metal comum, carregada abaixo do seu limite de escoamento em temperatura ambiente, pode ser analisada e calculada pela lei de Hooke, pois na curva tensão x deformação essa relação nessa faixa é linear. Além disso, essa deformação normalmente não varia com o tempo sob uma carga fixa. Porém, quando se faz o mesmo teste com elevadas temperaturas (maior que um terço até a metade do ponto de fusão em uma escala de temperatura absoluta), os resultados são completamente diferentes.
A fluência é definida como a deformação plástica (permanente) que ocorre em elevadas temperaturas sob cargas mecânicas estáticas (constantes) por um longo período de tempo. Normalmente é um fenômeno que não é desejável e, com frequência é um fator limitante na vida útil de uma peça.
O ensaio de fluência baseia-se em submeter um corpo de prova a uma carga constante e mantendo a temperatura com a mesma característica, isso proporciona a análise e a medição da deformação através do tempo decorrido. Segue abaixo, uma representação do teste típico desse fenômeno:
	
A curva característica de fluência, onde a deformação aumenta gradativamente ao longo do tempo em um material tensionado em altas temperaturas (acima de aproximadamente 0,5 T do ponto de fusão absoluto) após a carga elástica inicial é mostrado na figura abaixo:
	
Nota-se pela curva que ocorre uma deformação elástica instantânea em t = 0 com a aplicação da carga. Após esse fenômeno, a curva mostra três estágios de deformação por fluência com suas características próprias, até chegar ao ponto de fratura do material.
No estágio primário (fluência primária ou transiente), se caracteriza uma proporção de deformação decrescente, o aumento rápido no tamanho durante esse trecho de tempo é o resultado dos dispositivos de deformação avançados, isso propõe que o material está apresentando um aumento na resistência ao fenômeno de fluência ou um encruamento (deformação torna-se mais difícil na medida em que o material é deformado).
O estágio secundário (fluência secundária ou fluência em regime estacionário) é normalmente o que tem a maior duração no processo e ocorre uma taxa de deformação constante que é caracterizado por uma região linear. Isso acontece devido a maior facilidade de deslizamento, pois a mobilidade em alta temperatura é equilibrada pela resistência crescente ao deslizamento, em outras palavras, há um equilíbrio entre os processos de encruamento e de recuperação (torna-se mais dúctil e retém sua habilidade de se deformar). Esse estágio é considerado o mais importante, pois em projetos de engenharia são levados em consideração para aplicações de longo prazo, onde uma falha ou deformação considerável não podem ser consideradas para a análise e desenvolvimento do projeto.
No estágio terciário (fluência terciária), há um grande aumento na taxa de deformação devido ao aumento na tensão verdadeira, até ocorrer à fratura do material submetido à deformação. Aumento explicado pela redução da área da seção reta, em decorrência da do empescoçamento ou de trincas interna. Em alguns casos, não existe esse estágio final, pois a fratura do material ocorre no estágio que o antecede (secundário).
As propriedades de fluência não dependem da direção de aplicação de carga, isso para a maioria dos materiais. Nos metais, grande parte dos ensaios de fluência são feitos sob tração uniaxial, aplicando-se a mesma geometria de um corpo de prova para ensaios de tração. Cabe ressaltar que a fluência é certamente mais importante nas cerâmicas do que nos metais, porque suas aplicações são muito frequentes em elevadas temperaturas.
Na curva de fluência característica tanto a mudança na tensão aplicada quanto na temperatura ambiente fazem com que haja uma variação na curva, conforme mostrado abaixo:
Para uma temperatura absoluta abaixo de 0,4 a temperatura de fusão, a deformação não depende do tempo. O aumento da temperatura ou da tensão fará com que haja um aumento de deformação no momento da aplicação da tensão e na taxa de fluência em regime estacionário, porém isso resultará em uma diminuição do tempo de vida até a ruptura.
A análise de ensaios de ruptura por fluência é demonstrada na forma do logaritmo da tensão em função do logaritmo do tempo de vida útil até a ruptura. Observa-se no gráfico abaixo para uma liga de níquel, a linearidade para cada temperatura. Em algumas ligas e em grandes intervalos de tensão, não se obtém essa linearidade nas curvas.
Para a análise desses fenômenos foram desenvolvidos processos como, por exemplo, o gráfico de Arrhenius do logaritmo da taxa de fluência em estado estacionário, do estágio secundário em função do inverso da temperatura absoluta que é importante porque fornece a energia de ativação. Como observado, existem relações empíricas importantes para a análise de fluência, onde a taxa de fluência em regime estacionário é expressa em função da tensão e da temperatura e pode ser escrita como se segue:
ἐf = K1.σn
Onde K1 e n são constantes relativas a um material. Um gráfico do logaritmo de ἐ em função do logaritmo de σ gera uma reta com inclinação n, conforme figura a seguir de uma liga de níquel:
	
Quando a influência da temperatura é considerada para análise, a equação fica da seguinte maneira:
ἐf = K2.σn.e(-Qf/R.T)
Onde K2 e n são constantes. Qf é a energia de ativação para fluência, R é a constante universal dos gases e T é a temperatura absoluta.
Alguns sistemas foram estudados com base nos dados de fluência fazendo correlação entre a energia de ativação para fluência (Qf) e a energia de ativação para a difusão (Qd). Esses sistemas podem ser representados através de diagramas tensão-temperatura e são denominados mapas de mecanismos de deformação. Com isso, as várias situações de fluência, podem ser analisadas através do mapa apropriado e de dois dos três parâmetros (temperatura, tensão e taxa de deformação da fluência), o terceiro parâmetro pode ser determinado.
Outro princípio, utiliza gráficos semi-empíricos elaborados com base no método da extrapolação de dados para prever o comportamento de fluência em longo prazo nas temperaturas mais baixas de serviço para auxiliar engenheiros de projeto na seleção de material para uma determinada aplicação. Um método bastante conhecido é o de Larson-Miller que utiliza a equação abaixo para extrapolação de dados.
T (C + log tr)
Onde C é uma constante (geralmente da ordem de 20), T é a temperatura absoluta Kelvin e tr é o tempo de vida até a ruptura, em horas.
Portanto, o conhecimento desses métodos, análise de curvas e características especiais de fluência para um material, proporcionam ao engenheiro de projetos, levar em consideração esses fenômenos para a escolha satisfatória do material para a criação e adequação do projeto para uma aplicação específica. 
Exemplo: Em uma experiência laboratorial de fluência a 1000 ºC, uma taxa de fluência em estado estacionário de 5.10-1% por hora é obtida em uma liga metálica. O mecanismo de fluência para essa liga é conhecido como a subida de discordâncias com uma energia de ativação de 200 kJ/mol. Preveja a taxa de fluência a uma temperatura de serviço de 600 ºC. (Suponha que a experiência de laboratório duplique a tensão de serviço).
SOLUÇÃO:
ἐf = K2.σn.e(-Qf/R.T)	C = K2.σn
ἐf = C.e(-Qf/R.T)
Usando a experiência de laboratório para determinar a constante pré-exponencial, obtemos:
C = ἐf.e(+Qf/R.T) = (5.10-1% por hora).e(+200.1000 J/mol)/(8,314 J.mol.K).(1273K)
C = 80,5. 106% por hora.
Aplicando essa quantidade à temperatura de serviço, temos:
ἐf = (80,5. 106% por hora).e-(200.1000).(8,314).(873)
ἐf = 8,68. 10-5% por hora
Consideramos que o mecanismo de fluência permanece inalterado entre 1000 ºC e 600 ºC.