12 - Fluência

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FLUÊNCIA
1. Conceito
Fluência (Creep) é a deformação plástica permanente dependente do tempo que ocorre em temperaturas elevadas em materiais submetidos a tensões abaixo do seu limite de escoamento e que pode levar a sua falha e ruptura.
Deformação plástica do material: ocorre alteração das dimensões
Tempo: o fenômeno da fluência não ocorrre instantaneamente, ocorre com o passar do tempo podendo levar semanas, meses ou anos
Temperatura: A temperatura deve ser elevada. Para cada material a temperatura que pode iniciar o processo de fluência é diferente. Para os metais essas temperaturas são da ordem de 0,3 a 0,5 da temperatura de fusão em Kelvin. Os polímeros são muito sensíveis ao fenômeno podendo ocorrer na própria temperatura ambiente
Tensão: O componente deverá estar submetido a uma tensão e irá deformar-se mesmo que a carga submetida sobre ele seja inferior ao seu Limite de escoamento na temperatura que estiver em serviço
Falha: A fluência não somente deforma plasticamente o componente mas pode levar a sua ruptura 
1. Conceito
Ruptura por fluência em tubo de caldeira causado por superaquecimento
Ruptura por fluência de uma lâmina de turbina
Ruptura por fluência na rosca de parafuso de aço inoxidável 310. O parafuso suportava um sistema dentro em um forno com temperatura de aproximadamente 680ºC
1. Conceito
O fenômeno da fluência ocorre somente quando os seguintes itens estiverem atuando:
1. Conceito
Para metais o fenômeno é importante somente a partir de temperaturas de aproximadamente 0,3 a 0,5 da temperatura de fusão (em valor absoluto: Kelvin)
2. Componentes sujeitos à Fluência - Exemplos
Esguicho (nozzle) de foguete
Lâminas de turbina
2. Componentes sujeitos à Fluência - Exemplos
Material de Reatores de Refinarias petroquímicas
2. Componentes sujeitos à Fluência - Exemplos
Tubulações para Linhas de vapor / caldeiras de alta pressão
Caldeiras são recipientes na qual a água é aquecida para transformá-la em vapor que será utilizado para produzir energia através de uma turbina
2. Componentes sujeitos à Fluência - Exemplos
Componentes de Fornos 
Trocador de calor 
3. Procedimento do Ensaio
O ensaio consiste em submeter um corpo de prova a uma carga ou tensão uniaxial constante em determinada temperatura. Então, é traçado um gráfico da deformação (medida através de um extensômetro) em função do tempo
Tipo de corpo de prova: similar ao do ensaio de tração. 
Para materiais frágeis é utilizado uma carga de compressão.
3. Procedimento do Ensaio
Norma: ASTM E-150
Não é um ensaio de rotina visto que demora um longo tempo (1mes a 1 ano, geralmente 1000 horas). Usado para atividades de pesquisa e desenvolvimento de novos materiais 
Observação: 
Ensaios de tração em alta temperatura não são Ensaios de Fluência
4. Comportamento à Fluência
Com a aplicação da carga ocorre uma deformação instantânea (elástica) em função do valor do Módulo de elasticidade do material (por isto a curva não inicia com deformação “zero”
Observa-se a presença de três regiões ou estágios distintos:
 Estágio I: 
Ocorre uma diminuição da deformação com o tempo: (taxa de fluência decrescente) sugerindo a ocorrência de um aumento da resistência do material devido a sua própria deformação (encruamento).
4. Comportamento à Fluência
Estágio II:
Nesta etapa a deformação do material é aproximadamente constante no tempo (uma reta). Ocorre um equilíbrio entre a taxa de discordâncias que realizam a “escalagem” com a taxa de discordâncias que são bloqueadas pelas imperfeições da rede e que surgem durante a deformação plástica
É a etapa de maior duração e um dos parâmetro mais importante para utilização em projetos (taxa de fluência)
Taxa de fluência = 
Obs. Escalagem de discordâncias é a denominação para o fenômeno que acontece quando as discordâncias vencem os obstáculos impostos seja por outras discordâncias, contorno de grão, etc.
4. Comportamento à Fluência
Estágio III: 
Nesta etapa ocorre uma aceleração da taxa de fluência e ruptura do material. 
Inicia a estricção e com isso um aumento da tensão ocasionando uma rápida deformação do material. 
Nesta etapa há a formação de vazios, trincas, separação do contorno de grão e levando a ruptura.
Variação da deformação em relação ao tempo
5. Parâmetros de interesse verificadas no Ensaio
Em geral são realizadas vários ensaios com diferentes tensões e temperaturas para verificar as propriedades do material
Parâmetros de interesse: 
Tempo de ruptura por fluência, 
B) Taxa de fluência (região onde a deformação pelo tempo é constante – estágio II), 
C) Valor da tensão e/ou da temperatura para uma deformação estabelecida (1% ou 2% por exemplo), e o tempo decorrido
5. Parâmetros de interesse verificadas no Ensaio
C) Valor da tensão e/ou da temperatura para uma deformação estabelecida (1% ou 2% por exemplo), e o tempo decorrido
B) Taxa de fluência (região onde a deformação pelo tempo é constante – estágio II), 
6. Fatores que influenciam no Comportamento à Fluência 
Tensão aplicada: 
Quanto maior a tensão aplicada maior a deformação instantânea, maior a taxa de fluência e menor o tempo de ruptura.
B) Temperatura: 
Quanto maior a temperatura maior o aumento da deformação instantânea, maior a taxa de fluência e menor o tempo até a ruptura.
6. Fatores que influenciam no Comportamento à Fluência 
C) Tamanho de grão: 
Na temperatura ambiente a fratura ocorre em geral de modo transcristalina (atravessa os grãos), pois os contornos de grão atuam como obstáculos ao movimento das discordâncias e aumentam a resistência. Em temperaturas elevadas a fratura segue os contornos de grão em função do aumento do número de lacunas e, portanto o material de granulação mais fina é menos resistente à fluência que o material grosseiro.
Quanto menor o tamanho do grão maior a taxa de fluência e menor o tempo de ruptura. 
Esta é a única situação onde um menor tamanho de grão é desfavorável. 
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6. Fatores que influenciam no Comportamento à Fluência 
C) Tamanho de grão: 
A condição policristalina (vários grãos) com grãos equiaxiais apresenta menor resistência a fluência; 
A resistência é melhorada devido a estrutura colunar dos grãos alinhados na direção do carregamento. 
O melhor resultado é obtido com material monocristalino (somente um grão) sem existência do contorno de grão pois a resistência à fluência diminui com granulação mais fina
Desenvolvimento de uma Palheta de turbina: 
(Aumento da resistência à deformação por fluência)
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