EM_Fluência

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Ensaio de 
Fluência
PROFA. DRA. HILLANE L IMA
Fluência
❑Deformação plástica que ocorre em função do tempo para um material 
submetido a uma tensão constante;
❑Ocorre devido a movimentação de falhas na estrutura do material;
❑Fator determinante da vida útil de um componente;
❑Ocorre em qualquer tipo de material;
❑No caso dos metais é um fenômeno influenciado pelo acréscimo da 
temperatura para valores acima de T ≥ 0,4 Tfusão para a maioria dos metais, 
sendo considerado T≥ 0,2 ~ 0,3 Tfusão para os metais de baixa temperatura de 
fusão. 
Tensão 
estática
Tempo
Temperatura
ENSAIOS DOS MATERIAIS 2
Fluência
❑Aplicação cada vez maior de 
componentes em condições de serviço a 
altas temperaturas levou ao 
desenvolvimento de ligas metálicas 
especiais e de materiais compostos que 
resistem à deformação plástica sob 
condições de cargas estáticas e 
temperaturas maiores que 1000 °C. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 3
Fluência
ENSAIOS DOS MATERIAIS 4
Ensaio de fluência
❑Caracterização do comportamento mecânico de materiais em 
temperaturas elevadas e submetidos a tensões estáticas por longos 
períodos.
❑É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um CP de 
mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura 
elevada e constante. 
❑A carga é aplicada por pesos e é feito o controle da temperatura e do 
tempo. 
❑Condições de compressão, flexão, torção e esforços cíclicos também 
podem ser empregados nos ensaios. 
❑Para metais a maioria do ensaios são conduzidos sob tração uniaxial;
❑Para materiais frágeis o ensaio é conduzido principalmente com 
compressão uniaxial.
Esquema do ensaio e configuração do CP.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 5
Ensaio de fluência
Máquinas para o ensaio
ENSAIOS DOS MATERIAIS 6
Ensaio de Fluência
Corpo de Prova
❑Apresentam, geralmente, dimensões e geometria semelhantes àquelas utilizadas nos ensaios 
de tração;
❑São submetidos inicialmente a certas temperaturas até atingirem a homogeneização térmica, 
para posteriormente se iniciar o ensaio. 
❑Recomenda-se um bom acabamento superficial na região útil de análise, bem com a 
inexistência de defeitos superficiais e erros de concordâncias entre diâmetros. 
❑Para ensaios em corpos de prova com entalhes recomenda-se a norma ASTM E292, e para a 
realização de ensaios com altas taxas de deformação recomenda-se a norma ASTM E150. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 7
Ensaio de Fluência
Corpo de Prova
ENSAIOS DOS MATERIAIS 8
Ensaio de Fluência
Corpo de Prova
❑Recomenda-se a instrumentação do CP com extensômetro 
para medir a deformação longitudinal sofrida pelo material em 
função do tempo. 
❑No caso de materiais que apresentam alta reatividade em 
altas temperaturas recomenda-se o emprego de atmosfera 
inerte ou no vácuo. 
❑A temperatura deve ser medida em dois ou três pontos, 
preferencialmente por meio de pirômetros ligados ao corpo de 
prova por termopares aferidos, de pequeno diâmetro.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 9
Ensaio de Fluência
Corpo de Prova
❑Normalmente empregam-se fomos com 
aquecimento resistivo ou indutivo, com controle de 
temperatura por meio de termopares, e que 
possibilitam o aquecimento do CP e equalização da 
sua temperatura em aproximadamente 1 hora. 
• A prática comum é aquecer primeiro o corpo de 
prova até 10°C abaixo da temperatura do ensaio, 
por um período de 1 a 4 horas, para completa 
homogeneização da estrutura. Só depois disso o 
corpo de prova deve ser levado à temperatura do 
ensaio. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 10
Ensaio de Fluência
Temperatura do ensaio
❑Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar alterações na velocidade 
de fluência;
❑Em aço carbono e duralumínio submetidos a uma tensão de 3,5 Kgf/mm2 durante 1000h:
ENSAIOS DOS MATERIAIS 11
Ensaio de 
Fluência
Temperatura do ensaio
ENSAIOS DOS MATERIAIS 12
ENSAIOS DOS MATERIAIS 13
Ensaio de 
fluência
❑O tempo de aplicação da carga é 
principalmente em função da 
esperada vida útil do componente 
que será fabricado com o material 
submetido ao ensaio. 
❑Pode durar um mês ou mais de um 
ano.
❑As deformações que ocorrem no 
CP são medidas em função do 
tempo de realização do ensaio;
❑São realizados inúmeros ensaios 
variando carga aplicada e/ou T do 
ensaio
Curva típica de fluência apresentando os três estágios do ensaio
ENSAIOS DOS MATERIAIS 14
Análise dos 
resultados obtidos
❑Estágio primário ou fluência primária: caracterizado 
por um decréscimo contínuo da taxa de fluência → a 
inclinação da curva diminui com o tempo. 
❑A deformação plástica vai se tornando 
progressivamente mais difícil devido a multiplicação e 
interação das discordâncias, as quais se ancoram nos 
contornos de grãos dificultando escorregamento dos 
planos cristalográficos. 
❑O estágio permanece até que se estabeleça uma 
condição estacionária. 
❑A deformação instantânea observada no gráfico deve-
se ao carregamento inicial da carga no corpo de prova. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 15
Análise dos 
resultados obtidos
Estágio secundário ou fluência secundária em regime 
estacionário
❑A taxa de fluência é essencialmente constante e a 
curva apresenta-se com aspecto linear. 
❑Essa região de inclinação decorre do equilíbrio entre 
dois fenômenos atuantes e competitivos: 
encruamento e recuperação. 
❑Na recuperação, com a temperatura mais alta, a 
mobilidade atômica aumenta e vacâncias são 
ocupadas, discordâncias geradas. 
❑O valor médio da taxa de fluência no estágio 
secundário é chamado de taxa mínima de fluência. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 16
Análise dos 
resultados obtidos
Estágio terciário ou fluência terciária
❑Aceleração na taxa de fluência até a ruptura do CP. 
❑Ocorre principalmente para ensaios submetidos a 
cargas e/ou temperaturas elevadas. 
❑Nesse estágio tem início o processo interno de 
fratura: separação de contornos de grão, formação, 
coalescimento e propagação de trincas;
❑Redução localizada de área no CP e consequente 
aumento na taxa de deformação. 
❑Em certas condições, alguns materiais podem deixar 
de apresentar o estágio terciário.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 17
Curvas de fluência para aços-liga sob diferentes cargas; a 
curva B não apresenta o estágio III em função da baixa 
carga aplicada
Curvas de fluência para uma liga de alumínio 
(24S-T4) a temperatura constante de 182°C e 
diferentes tensões aplicadas
ENSAIOS DOS MATERIAIS 18
Análise dos resultados 
obtidos
❑Para o caso de materiais frágeis, o ensaio é empregado
utilizando-se esforços de compressão para a melhor
caracterização das propriedades em fluência, visto que não
ocorre a intensificação das tensões devidas às microtrincas da 
superficie do material e posterior fratura frágil. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 19
Parâmetros característicos do ensaio
❑Um dos parâmetros mais importantes no 
ensaio de fluência é a taxa mínima de fluência 
→ inclinação da curva do estágio secundário 
de fluência. 
❑É o parâmetro a se considerar em projetos de 
componentes para aplicações de longa 
duração.
❑Ex. Peças de reatores nucleares, que são 
especificadas para durar várias décadas. 
❑Para componentes de vida relativamente 
mais curta, como lâminas de turbinas para 
motores a jato, o parâmetro determinante é o 
tempo de ruptura.
Classificação do ensaio
❑Ensaio de fluência (resistência à fluência, vida 
útil do material);
❑Ensaio de ruptura por fluência (resistência à 
ruptura por fluência);
❑Ensaio de relaxação: fornece informações 
sobre a redução da tensão aplicada ao corpo de 
prova quando a deformação em função do 
tempo é mantida constante a uma certa 
temperatura
ENSAIOS DOS MATERIAIS 20
Parâmetros 
característicos 
do ensaio
Ensaio de ruptura 
❑Semelhante ao convencional só que neste caso os CP’s são levados 
até a ruptura. 
❑Utilizam-se cargas maiores e, portanto maiores velocidades de 
fluência. 
❑A deformação atingida pelos CP’s é bem maior: enquanto no 
ensaio de fluência a deformação poucas vezes ultrapassa 1%, nos 
ensaios de ruptura por fluência pode atingir 50%. 
❑A tensão e a temperaturasão mantidas constantes neste ensaio. 
❑Sua duração fica em torno de 1.000 horas. Porém, são necessários 
muitos corpos de provas, ensaiados com cargas diferentes, para se 
obter resultados significativos.
❑Resultados obtidos no ensaio são: tempo para a ruptura do corpo 
de prova, medida da deformação e medida da estricção, em certos 
casos.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 21
Parâmetros 
característicos 
do ensaio
Ensaio de relaxação 
❑O ensaio de relaxação produz dados sobre velocidade de fluência/tensão 
numa gama variada de velocidades, com apenas um corpo de prova. 
❑A relaxação de tensão ocorre em peças juntadas por parafuso ou 
montagens ajustadas a quente → em altas T podem se tornar frouxas e 
produzir desconexão se a tensão inicial não for adequada.
❑Na sua forma mais simples, é feito mantendo a deformação constante, 
por meio da redução da tensão aplicada ao corpo de prova ao longo do 
tempo. 
❑O resultado é a queda da tensão ao longo do tempo, que mantém a 
velocidade de deformação constante, num dado valor. 
❑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.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 22
Parâmetros
característicos
do ensaio
ENSAIOS DOS MATERIAIS 23
❑Os resultados são também apresentados em termos do 
logaritmo da tensão versus o logaritmo do tempo de ruptura 
resultando em uma linha reta aproximada aos dados reais. 
Liga de níquel com baixo teor de carbono para três 
diferentes temperaturas
Liga lnconel 718* para quatro diferentes 
temperaturas 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 24
Parâmetros característicos do ensaio
❑Algumas equações empíricas correlacionam o 
fenômeno da fluência em materiais;
❑A partir da taxa mínima de fluência em função da 
tensão e temperatura: 
❑k1 e n1 são constantes para cada material. 
❑Para o caso de dependência da taxa mínima de 
fluência com a tensão, a relação é: 
❑Em termos de temperatura e tensão
❑A e n são constantes dependentes do material
❑Essa é outra forma de apresentação dos resultados do ensaio de fluência e deve ser utilizada como valor 
de referência para projetos de componentes que devam resistir à fluência. 
❑As taxas podem ser apresentadas em %/h; %/1000 h; m/m ·h ou s- 1
ENSAIOS DOS MATERIAIS 25
Parâmetros característicos do ensaio
❑Várias abordagens teóricas foram propostas para explicação do comportamento em fluência, e 
no sentido de introduzir parâmetros relacionados aos mecanismos de deformação e difusão 
atômica que ocorrem durante o processo de fluência, bem como variáveis relacionadas aos 
mecanismos de início e propagação da fratura. 
❑A literatura apresenta uma relação empírica entre taxa mínima de fluência e o tempo de 
ruptura, tr dada por:
❑ B e m são constantes.
❑ Esse tipo de relação permitiria a determinação de tr uma vez determinada a taxa mínima de 
fluência, o que em termos práticos implicaria a realização do ensaio somente até o estágio II.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 26
Tensão-taxa mínima de fluência para liga de 
níquel com baixo teor de carbono para três 
diferentes temperaturas (escala log-log). 
Tensão-taxa mínima de fluência para Magnésio puro 
em diferentes temperaturas.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 27
Tensão-taxa mínima de fluência para um aço 
inoxidável AISI 304 para quatro diferentes 
temperaturas (escala log-log). (Adaptado de 
ASM Handbook. v. 8, 2000.)
Tensão-taxa mínima de fluência para um aço 
inoxidável AISI 316 para três diferentes 
temperaturas. (Adaptado de Dieter, 1988.)
ENSAIOS DOS MATERIAIS 28
Tensão-taxa mínima de fluência para um aço 
Cr -Mo-V para três diferentes temperaturas 
(escala mono-log). (Adaptado de ASM 
Handbook, v. 8, 2000.) 
Tensão-taxa mínima de fluência para ferros fundidos 
cinzentos com 4%5i e 4%5i + 2%Mo (escala log-log}. 
(Adaptado de ASM Handbook, vol. 1, 2000.)
ENSAIOS DOS MATERIAIS 29
Parâmetros 
característicos do ensaio
❑Resistência à fluência: tensão a uma determinada 
temperatura que produz uma taxa mínima de fluência, por 
exemplo, de 0,0001 por cento/hora ou 0,001 por 
cento/hora. 
❑Resistência à ruptura: tensão a uma determinada 
temperatura que produz uma vida até a ruptura de 100, 
1000 ou 10.000 horas. 
➢Por exemplo, uma turbina a jato, que deve apresentar uma 
taxa mínima de fluência de 0,0001%, implica uma 
deformação de 1% a cada 10.000 horas de operação. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 30
Extrapolação de características de 
fluência para longos períodos
❑Em função da impraticabilidade de ensaios de longa 
duração, uma solução que se adota é avaliar o 
comportamento à fluência em condições de 
temperatura acima das especificadas, por tempos 
mais curtos e no mesmo nível de tensão, e, a partir 
dos resultados, fazer uma extrapolação para as 
condições de operação do componente. 
❑Uma extrapolação segura só pode ser feita quando 
se tem certeza de que na região da extrapolação não 
ocorrerão mudanças estruturais que resultem na 
variação da inclinação da curva. 
Parâmetro de Larson-Miller
❑Por questões práticas e como essa constante C não 
varia muito, geralmente assume-se C= 20. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 31
Extrapolação de características de 
fluência para longos períodos
Valores da constante C para alguns aços 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 32
Exemplo
❑Previsão do tempo de ruptura de um componente 
fabricado com o material da figura quando submetido a 
uma tensão de 400 MPa a uma temperatura de 600°C. 
❑A figura indica que, para uma tensão de 400 MPa, o 
parâmetro de Larson-Miller é 20·103: 
Curva tensão-parâmetro de Larson-Miller do aço S-590 (CoCrNi)
ENSAIOS DOS MATERIAIS 33
Exemplo
❑Um componente de aço S-590 deve possuir um tempo 
de vida até a ruptura por fluência de pelo menos 20 dias 
a 650°C. Calcule o nível máximo de tensão permissível.
Curva tensão-parâmetro de Larson-Miller do aço S-590 (CoCrNi)
ENSAIOS DOS MATERIAIS 34
Exemplo
❑Considere um componente de aço S-590 que está 
submetido a uma tensão de 55 Mpa. Em qual 
temperatura o seu tempo de vida até a ruptura será de 
200horas?
Curva tensão-parâmetro de Larson-Miller do aço S-590 (CoCrNi)
ENSAIOS DOS MATERIAIS 35
Fratura
Principais mecanismos de deformação observados a temperaturas elevadas 
❑Movimento de discordâncias;
❑Recristalização;
❑Escorregamento de contornos de grãos. 
PROCESSO DE FRATURA
❑Formação de microcavidades nos contornos de grão;
❑Aumento de microcavidades e formação de microtrincas;
❑Coalescimento das microtrincas e formação de uma macrotrinca.
Favorecidos com o aumento da 
temperatura. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 36
Fratura
❑Superfície de fratura destacando 
as microcavidades em contornos 
de grãos de uma liga Nimonic 105 
submetida a 800 °C por longo 
período de tempo. (Engel. 1981.)
❑Ao final do ensaio, a amostra foi 
resfriada em nitrogênio liquido e 
fraturada para observação do 
processo de ruptura 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 37
Fratura
❑Micrografias de diferentes 
regiões de uma amostra de aço 
baixo carbono (ABNT/SAE 1018) 
retirado de uma tubulação de 
vapor superaquecido que foi 
substituída por apresentar 
vazamentos. 
❑Presença de pequenas 
microcavidades nos contornos de 
grãos da ferrita, principalmente 
em pontos triplos. 
Micrografias de uma tubulação de vapor superaquecido que sofreu 
fluência. (ABNT/SAE 1018.) 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 38
Influência da tensão e 
temperatura
❑A deformação instantânea que surge no momento 
inicial de aplicação de carga cresce com a tensão e 
T
❑Aumento da taxa de fluência do estágio II
❑Vida útil do corpo de prova representada pelo 
tempo de ruptura diminui. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 39
Fatores que afetam as 
propriedades de 
fluência
❑Temperatura de fusão;
❑Módulo de elasticidade;
❑Tamanho de grão cristalino.
• Com a eliminação gradativa de contornosde grãos do 
primeiro processo ao último, o componente de 
deformação por escorregamento de contornos de 
grãos vai perdendo sua influência, produzindo um 
aumento na resistência à fluência. 
• O tempo de ruptura é aumentado em cerca de 2,5 
vezes quando se passa da fundição convencional para a 
solidificação unidirecional, e em cerca de 9 vezes 
quando se trata de lâminas monocristalinas. 
Laminas de turbinas produzidas: (a) fundição convencional; (b) 
solidificação unidirecional; e (C) monocristal. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 40
Fatores que afetam as 
propriedades de fluência
❑Resultados obtidos com uma liga Zn-22%Al 
(%em massa) com diferentes tamanhos de grão 
submetida a ensaios de fluência por longos 
períodos à temperatura de 220 °C. 
❑Mesmo para pequenas diferenças nos valores 
dos tamanhos de grãos observa-se uma 
significativa diferença na resposta à fluência ou 
na taxa de deformação. 
Influência do tamanho de grão cristalino na fluência de uma 
liga Zn-22AI. (Adaptado de ASM Handbook, v. 8, 2000) 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 41
Fatores que afetam as 
propriedades de fluência
Precipitação de fases ou precipitados
❑Exemplo de estrutura bruta de solidificação de uma liga de 
magnésio-zinco-aluminio-cálcio-lantânio desenvolvida para estimular 
a precipitação de compostos intermetálicos que impeçam 
escorregamento dos contornos de grãos. 
❑Presença de intermetálicos de Al-Ca e AI-La na forma de pequenas 
agulhas transgranulares nas regiões de contornos de grãos, atuando 
com um grampo entre estes. 
❑As análises qualitativas de composição química por meio de EDS-
MEV demonstraram a presença dos elementos Mg-Al-La (EDS2) e 
Mg-Al-Ca (EDS3) formando os precipitados, os quais são 
considerados estáveis para as temperaturas desejadas de 
aplicabilidade (100 °C). 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 42
Fatores que afetam as propriedades de 
fluência
Materiais mais resistentes à fluência em altas temperaturas
❑Aços inoxidáveis
❑Super ligas ou ligas à base de níquel, cobalto ou ferro ou suas 
combinações; 
❑Ligas refratárias, que apresentam elevadas temperaturas de 
fusão, e são formadas à base de nióbio, molibdênio, 
tungstênio, titânio, tântalo e cromo. 
➢Essas ligas apresentam 
temperatura de fusão da ordem 
de 2000 °C ou mais;
➢Alto módulo de elasticidade;
➢Dureza alta
➢Alta resistência corrosão, tanto 
em temperaturas normais 
quanto em temperaturas 
elevadas. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 43
Fatores que 
afetam as 
propriedades 
de fluência
Materiais mais resistentes à fluência 
em altas temperaturas
ENSAIOS DOS MATERIAIS 44
Fatores que afetam as propriedades de 
fluência
Materiais mais resistentes à fluência em altas temperaturas
ENSAIOS DOS MATERIAIS 45
Propriedades de fluência de polímeros
❑Muitos polímeros também são suscetíveis à fluência quando o nível de tensão é mantido 
constante durante um determinado tempo;
❑Essa característica é chamada de fluência viscoelástica, a qual inclui a parcela de deformação 
elástica, seguida de uma deformação viscoelástica;
❑Esse tipo de deformação nos polímeros pode ocorrer até em temperatura ambiente e com 
tensões bem menores que o limite de escoamento. 
❑Para polímeros amorfos, em geral a temperatura considerada limite para a ocorrência de 
fluência é a temperatura de transição vítrea (Tg), acima da qual a taxa de fluência aumenta 
significativamente. 
❑Normalmente os ensaios seguem os mesmos procedimentos recomendados para os metais, 
com algumas exceções. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 46
Propriedades de fluência 
de polímeros
❑Para os polímeros termoplásticos o comportamento à 
fluência depende dos mecanismos de movimentação 
cooperativa das cadeias de moléculas, e cuja resistência será 
maior quanto maior for a quantidade de ligações cruzadas 
entre elas, bem como com o aumento do peso molecular do 
polímero. 
ENSAIOS DOS MATERIAIS 47
Propriedades de fluência de compósitos 
e cerâmicas
❑Para o caso de materiais compósitos de matriz polimérica, a adição de fibras como reforço não 
altera o mecanismo de fluência da matriz, ocorrendo fluência também nessa classe de materiais. 
❑No entanto, o tipo, a morfologia, o comprimento, a distribuição e a resistência da fibra., entre 
outros fatores, podem melhorar significativamente a resistência à fluência. 
❑Estudos realizados com a finalidade de analisar o comportamento de materiais cerâmicos sob 
condições de fluência, principalmente em condições de tensões de compressão em altas 
temperaturas → se observou comportamento similar aos encontrados nos metais, porém em 
níveis de temperaturas bem maiores.
ENSAIOS DOS MATERIAIS 48