Ensaio de Fluência

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SERVIÇO PÚBLICO FEDERAL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CAMPUS BLUMENAU
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Relatório IX: Ensaio de Fluência
Ludivar Junior de Souza (14203756) 
Prof. Dr. Wanderson Santana da Silva
Ensaio de materiais
Blumenau
2018
Resumo
Este relatório apresenta uma análise de como o ensaio de fluência ajuda a descrever o comportamento mecânico dos materiais. O fenômeno da fluência é um fator que deve ser levado em consideração para a escolha de materiais. 
Para isso, neste relatório serão apresentados os aspectos utilizados para a construção de uma máquina de ensaio, bem como os aspectos da fluência do ponto de vista de como as propriedades podem ser retiradas deste ensaio para fins práticos e tecnológicos. Para tal, será realizado o ensaio de fluência de caráter qualitativo e usado como amostra um fio de solda eletrônica de composição 60% Pb e 40 %Sn. Será avaliada a deformação do fio sob carregamento constante, portanto, será realizado o ensaio monitorando sua deformação com o tempo e discutidos os resultados.
Sumário
1. Introdução	4
2. Revisão Bibliográfica	5
2.1 Arame de Solda liga Sn-Pb	5
2.2 Fluência	5
2.2.1 Ensaio de Fluência	6
2.2.2 Características do Ensaio de Fluência	7
2.2.4 Taxa de Fluência	9
2.3 Fatores que afetam as características de fluência	9
2.4 Fratura por Fluência	9
3. Metodologia	11
4. Resultado e Discussões	12
5. Conclusão	14
6. Referências Bibliográficas	15
1. Introdução
Para um entendimento sólido sobre os ensaios de fluência, é necessário primeiramente conceituar o fenômeno que permite sua aplicação, o qual consiste na deformação plástica observada em materiais, peças e sistemas que sofrem esforços externos 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. 
O efeito da temperatura também é outra preocupação, pois esta tem a capacidade de acelerar o processo de fluência, portanto determina-se por meio do ensaio de fluência a temperaturas conhecidas, o tempo de vida útil deste material sob carregamento, com isso, é garantido maior segurança para aplicações os quais são submetidas a esforços em elevadas temperaturas. 
O presente relatório tem como objetivo realizar a montagem de uma máquina de ensaio de fluência e avaliar a deformação apresentada pelo arame de liga Sn-Pb ao estar sob esforço trativo constante.
	
2. Revisão Bibliográfica
2.1 Arame de Solda liga Sn-Pb
	O material utilizado neste experimento foi o arame de solda eletrônica, conhecido como solda branca, mais especificamente de composição 60% Sn e 40% Pb. Estas ligas são utilizadas para solda devido ao seu baixo ponto de fusão e permitir a condução elétrica em circuitos eletrônicos. Como mostra o gráfico abaixo, esta composição é caracterizada pela presença de duas fases à temperatura ambiente, as fases alfa e beta e por apresentar composição muito próxima à eutética, isso facilita a fusão, que ocorre a temperatura de aproximadamente 183ºC durante o processo de soldagem.
Figura 1 – Diagrama de fase da liga Pb-Sn.[1]
2.2 Fluência
	A fluência pode ser descrita como a deformação plástica que ocorre em um material sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo. 
Pode ser iniciada pela temperatura (sua ocorrência mais comum é em altas temperaturas), e se manifesta com o passar do tempo. A deformação plástica produz fissuras no material e pode levar à ruptura. A temperatura ambiente a deformação dos materiais metálicos é muito pequena, a não ser que a tensão atinja intensidades que se aproximem da tensão de ruptura.
2.2.1 Ensaio de Fluência
	Este ensaio ocorre através da aplicação de uma carga (ou tensão) axial constante em função do tempo e à temperatura elevada. Durante o ensaio o alongamento (ou deformação) é medido e lançado em um gráfico em função do tempo. A maioria destes ensaios é do tipo com carga constante, os quais fornecem informações de uma natureza que pode ser empregada em engenharia; os ensaios com tensão constantes são empregados para proporcionar melhor compreensão dos mecanismos de fluência [2]. 	
Na maioria dos casos, avalia-se a fluência de um material submetendo-o ao esforço de tração. Os corpos de prova utilizados nos ensaios de fluências são semelhantes aos do ensaio de tração, mas também podendo ser executado em peças acabadas [3]. 
O resultado do ensaio é dado por uma curva de deformação (fluência) pelo tempo de duração do ensaio, representado na figura abaixo.
Figura 2. Curva típica de fluência mostrando a deformação em função do tempo sob uma carga constante e a temperatura elevada constante. A taxa de fluência mínima é a inclinação do segmento linear na região secundária. O tempo de vida até a ruptura é o tempo total necessário até a ruptura.[2]
Como indicado na figura, com a aplicação da carga existe uma deformação instantânea, que é totalmente elástica. É visto que a curva de fluência consiste em três estágios, cada uma das quais tem sua própria característica deformação-tempo. A fluência primária ou transiente ocorre primeiramente, sendo caracterizada por uma taxa de fluência continuamente decrescente, isto é, a inclinação da curva diminui ao longo do tempo. O que sugere que o material está apresentando um aumento da resistência à fluência provocada pelo encruamento, ou seja, a deformação plástica vai se tornando progressivamente mais difícil devido à multiplicação e interação das discordâncias, as quais se ancoram nos contornos de grãos dificultando escorregamento dos planos cristalográficos. [2] 
Posteriormente ocorre a fluência secundária, também denominada como fluência estacionária, onde a taxa de fluência é constante, isto é, a curva do gráfico se torna linear. Este é o estágio que apresenta maior duração. 
A constância da taxa de fluência é explicada com base em um equilíbrio entre os processos concorrentes de encruamento e de recuperação (processo pelo qual o material tem a dureza reduzida e retém sua habilidade de sofrer deformação). [2]
Por último temos a fluência terciária, o qual apresenta uma aceleração da taxa e, por fim, ocorre a falha. Essa falha denominada ruptura é resultado de alterações microestruturais e/ou metalúrgicas, tais como, separação do contorno de grão e formação de trincas, cavidades e vazios internos. No qual leva a uma diminuição na área efetiva da secção transversal e a um aumento na taxa de deformação.
2.2.2 Características do Ensaio de Fluência
O parâmetro mais relevante para o ensaio de fluência é a inclinação da porção secundária da curva, denominada como fluência mínima ou taxa de fluência estacionária . Esse é o parâmetro de projeto de engenharia levado em consideração em aplicações de longo prazo, tais como, para um componente de usina de energia nuclear que está programado para operar durante várias décadas e para qual uma falha ou deformação muito grande não podem ser consideradas. [2]
Figura 3. (a) Curvas de fluência para aço-liga sob diferentes cargas; a curva B não apresenta o estágio III em função da baixa carga aplicada enquanto a curva A apresenta todos os estágios. (b) Curvas de fluência para uma liga de alumínio (24S-T4) a temperatura constante de 182ºC e diferentes tensões aplicadas [4].
	Por outro lado, para componentes de vida relativamente mais curta, como lâminas de turbinas para motores a jato, o tempo de ruptura é o parâmetro determinante. Assim, o ensaio de fluência pode ser dividido em ensaio de fluência (resistência à fluência), ensaio de ruptura de fluência (resistência à ruptura de fluência) e ensaio de relaxação.
A diferença principal entre o ensaio convencional e o ensaio por ruptura é que o segundo, como o próprio nome diz, segue até a ruptura do corpo de prova, enquanto o convencional utiliza-se de artifícios para estimar a vida útil do material. A informação sobre o comportamento do material quando submetido até a ruptura nesses ensaios diz respeito à tensão nominal que o corpode prova suporta em determinada temperatura até a ruptura. Já o ensaio de relaxação fornece informações sobre a redução da tensão (carga) aplicada ao corpo de prova quando a deformação em função do tempo é mantida constante a uma certa temperatura. O ensaio até a ruptura, muitas vezes, implica a aplicação de cargas de ensaio maiores que a especificada. [4]
	
2.2.4 Taxa de Fluência
	Existem algumas equações empíricas que correlacionam o fenômeno de fluência em materiais, a partir da taxa mínima de fluência, isto é, a taxa de fluência no estágio II do ensaio, em função do tensão e temperatura.[2]
Em que e são constantes do material. Ao colocar os resultados de e σem escala logarítmica, obtém-se uma reta de inclinação . Porém, quando a influência da temperatura é incluída:[2]
Em que e são constantes; é denominado energia de ativação para o processo de fluência. Nota-se que tanto a temperatura quanto o nível da tensão aplicada influenciam o comportamento da fluência. O aumento de qualquer um desses parâmetros produz os seguintes efeitos. [2]
I. Um aumento na deformação instantânea inicial;
II. Um aumento na taxa de fluência estacionária;
III. Uma diminuição no tempo de vida até a ruptura;
2.3 Fatores que afetam as características de fluência
	É visto que diversos fatores afetam as características de fluência dos metais. Esses fatores incluem a temperatura de fusão, o módulo de elasticidade e tamanho de grão. Em geral, quanto maior a temperatura de fusão, maior o módulo de elasticidade, e quanto maior o tamanho de grão, melhor a resistência do material em fluência. Em relação ao tamanho de grão, os grãos menores permitem maior escorregamento dos contornos de grão, o que resulta em maiores taxas de fluência. [2]
2.4 Fratura por Fluência
	As principais etapas do processo de fratura a temperaturas elevadas podem ser resumidas em: formação de microcavidades nos contornos de grãos, principalmente em pontos triplos, aumento das microcavidades e formação de microtrincas, coalescimento das microtrincas e consequente formação de uma microtrinca.
Figura 4. Superfície de fratura destacando as microtrincas em contornos de grãos de uma liga Nimonic 105 submetida a 800ºC por um longo período de tempo.[4]
	A figura acima mostra imagens em MEV de uma superfície de fratura de uma liga submetida a 800°C. Ao final do ensaio, a amostra foi resfriada em nitrogênio líquido e fraturada para observação do processo de ruptura, onde se observa a presença de cavidades nas regiões de contornos de grãos com aspecto tridimensional. [4]
3. Metodologia
	No experimento foi utilizada um fio de solda eletrônica de composição 60% Sn e 40% Pb devido a suas baixa propriedades mecânicas, as quais tornam o experimento mais rápido devido ao pouco tempo para realizá-lo.		Para isso foi montado um aparato para amarrar o fio e esta massa conhecida, a qual pelo método de alavanca fez um carregamento trativo constante sobre o fio. O sistema é mostrado na imagem abaixo.
Figura 5 – Máquina para ensaio de fluência.
Para realização do ensaio foram utilizados dois baldes para equilibrar o sistema, após foi calculado a massa de água para 1/3 do limite de escoamento, de modo que o valor aplicado foi de 600g. A aplicação da carga foi realizada em um dos baldes. Para monitorar as deformações neste fio foram realizadas marcações em um papel milimetrado e no próprio fio por intervalos de tempo de 2 minutos. O tempo total de ensaio foi de 28 minutos.
4. Resultado e Discussões
Os valores de deslocamento anotados a cada intervalo estão inseridos na tabela um. A partir destes dados foi calculado o valor da deformação real a partir da equação:
Tabela I – dados de deslocamento por tempo.
	Tempo (min)
	Li (mm)
	ɛv
	2
	9,12
	0,00
	4
	9,14
	2,20E-03
	6
	9,15
	3,30E-03
	8
	9,21
	9,80E-03
	10
	9,39
	2,92E-02
	12
	9,5
	4,08E-02
	14
	9,61
	5,23E-02
	20
	9,71
	6,26E-02
	24
	9,8
	7,19E-02
	26
	9,81
	7,29E-02
	28
	9,91
	8,31E-02
Com base nos valores calculados foi possível plotar o gráfico de deformação por tempo.
Figura 6 – Gráfico deformação por tempo.
Para o cálculo da taxa de fluência em regime estacionário foram utilizados valores presentes na região secundária e a equação: 
5. Conclusão
A partir dos resultados obtidos e da montagem da máquina foi possível perceber a influência da tensão no processo de fluência. Outro aspecto a destacar é que apesar das limitações de tempo e das extrapolações realizadas, foi possível obter uma curva de fluência coerente com o encontrado na literatura, de modo que foi possível calcular a taxa de fluência. Também seria possível realizar o experimento com a mesma tensão constante, mas variando a temperatura e obter-se um resultado similar, pois o acréscimo de temperatura ou de carga tem o efeito de aumentar a taxa de deformação por fluência. Por fim, o ensaio apresentou somente aspectos qualitativos, pois devido às baixas propriedades mecânicas da liga Sn-Pb ensaiada não pôde ser introduzidas cargas maiores.
6. Referências Bibliográficas
[1Diagrama de fase estanho-chumbo. Disponível em: <https://eletronicabr.com/notebooks/2/reballing-ou-reflow/23517/>. Acesso em: 01 de Julho de 2018.
[2]D., CALLISTER Jr. William. Fundamentos Da ciência e Engenharia De Materiais. LTC Editora, 2006.
 [3]ESSEL. Ensaio de fluência. 2017. Disponível em: <http://essel.com.br/cursos/material/01/EnsaioMateriais/ensa14.pdf>. Acesso em: 30 jun. 2018.
[4] Garcia A, Alvares. J.S, Santos C. Ensaios dos materiais, 1° edição, 2000.