Relatório 9 - Ensaio de fluência

Prévia do material em texto

12
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CENTRO BLUMENAU – DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS
DISCIPLINA DE ENSAIO DE MATERIAIS
ACADÊMICO: CLÁUDIO LUÍS MORETTO JÚNIOR
MATRÍCULA: 15102879
PROFESSOR DR.: WANDERSON SANTANA DA SILVA
RELATÓRIO 9: ENSAIO DE FLUÊNCIA
 
Blumenau, 2018.
SUMÁRIO
RESUMO	3
1 INTRODUÇÃO	4
2 MATERIAIS E MÉTODOS	5
2.1 Materiais e procedimentos	5
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA	6
3.1 Curva de fluência	7
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES	9
5 CONCLUSÃO	12
REFERENCIAS	13
RESUMO
Neste trabalho apresentamos a construção de uma máquina para realização de um ensaio de fluência. Apresentamos os procedimentos realizados na construção assim como os materiais que fizeram parte do equipamento. Apresentamos breve revisão bibliográfica sobre a importância do ensaio de fluência. Apresentamos as propriedades que podem ser observadas durante este ensaio. Realizamos análise dos dados obtidos no ensaio, assim como a sua tabulação. Por fim concluímos que para obter resultados significativos, é necessário realizar diversos ensaios no material, com diferentes cargas e temperaturas. As curvas assim obtidas devem representar as diversas situações práticas de uso do produto.
Palavras chave: Fluência, Estanho-Chumbo. Ensaios.
1 INTRODUÇÃO
Os diferentes materiais existentes com grande frequência se encontram em situações onde são submetidos a esforços constantes por grandiosos períodos de tempo, não são raras as ocasiões onde estes esforços incluem tensões e temperaturas altas. Em todos os casos, essas condições são gatilhos para mudanças nas propriedades microscópicas e macroscópicas dos materiais, uma vez que a difusão atômica e suas consequências ficam favorecidas com essas condições. 
Para melhor entender e esquematizar este tipo de comportamento, o ensaio de fluência visa aplicar um esforço constante ao longo do tempo em um material e observar as mudanças ocorridas. Com as informações concebidas por este ensaio é possível extrair dados sobre a longevidade do material nestas condições e sua aplicabilidade nas mesmas. Entre os principais materiais ensaiados em fluência, podem ser citados os empregados em instalações de refinarias petroquímicas, usinas nucleares, indústria aeroespacial tubulações, turbinas, entre outros.
2 MATERIAIS E MÉTODOS
2.1 Materiais e procedimentos
O equipamento foi construído com o intuito de observar os mecanismos presentes em um ensaio de fluência. Vale ressaltar que conforme a construção do equipamento ser de caráter rudimentar o mesmo pode não se apresentar em condições ideais, sendo possível o mesmo apresentar erros experimentais em seu funcionamento.
O equipamento para o ensaio de fluência consiste nos seguintes itens: Suporte de metal disponível no laboratório de processamento; Fio de liga Sn-Pb – Consiste em um fio utilizado para soldagem eletrônica, com diâmetro de 1,5 mm; Papel milimetrado; e Dois baldes com água;
A carga aplicada foi posicionada em um lado da alavanca afim de realizar um carregamento trativo sobre o fio, como ilustra a Figura abaixo.
	
Figura 1 - Máquina de fluência construída pelos alunos.
Foi colocado água nos dos baldes, um de cada lado, da alavanca, a fim de encontrar o equilíbrio.
A primeira etapa do procedimento consiste em colocar uma carga com aproximadamente 1/3 do limite de ruptura do material nas dimensões do fio. Para o fio utilizado esta carga foi de 600g de água.
A segunda etapa: ensaio de fluência, onde marcou-se 2 pontos iniciais no fio e no papel milimetrado. Assim que o material começou a se deformar, a deformação foi monitorada a cada 2 minutos e marcada através do ponto de referência no fio, suas novas posições. O ensaio durou 28 minutos.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Com a necessidade da utilização de materiais em temperatura e tensões estáticas por longos períodos de tempo, tornasse necessário prever e caracterizar o comportamento mecânico na qual o material vai sofrer nessas condições, já que as propriedades mecânicas dos materiais, principalmente metais, sofrem grandes variações de comportamento em condições de temperatura e tempo de exposição, foi criado o ensaio de fluência para poder caracterizar esses fenômenos.
A fluência é definida como a deformação plástica que o material vai sofrer pelo tempo de exposição do material a determinadas condições de tensão e temperatura, neste caso, a tensão sempre é constante no material, para que ela seja estática, sem variação. A fluência se dá por causa dos processos de difusão dos átomos, do movimento de discordâncias, do escorregamento de contornos de grão e da recristalização (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2000).
Esse fenômeno é indesejável e consiste em um fator determinante para definir a vida útil de um componente sendo aplicado, ou o tempo de permanência de determinados componentes e causadores de muita manutenção em vários casos em condições de trabalho de alta temperatura.
A aplicação cada vez maior de componentes em condições de serviço a altas temperaturas, como em turbinas de motores a jato, geradores de energia nuclear, instalações químicas e petroquímicas, linhas de vapores a alta pressão, 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, resistentes aos fenômenos de fluência.
Na Figura 1 a seguir, está mostrado um sistema esquemático de como ocorre o ensaio de fluência e de como seus resultados são discutidos.
	
Figura 2 - (a) Esboço do aparelho utilizado para análise de fluência. 
(b) Esboço representativo das curvas de ensaio de fluência.
A fluência é um fenômeno que ocorre em todos os tipos de materiais, mas principalmente é estudado em materiais metálicos, por causa de suas aplicações nas indústrias. No caso dos metais esse fenômeno é influenciado pelo crescimento da temperatura para valores maiores que 40% da temperatura de fusão do metal, ou entre 20% - 30% da temperatura de fusão para metais com baixo ponto de fusão, é onde os processos de difusão dos átomos, do movimento de discordâncias, do escorregamento de contornos de grão estão agindo de forma mais acentuada.
3.1 Curva de fluência
A curva típica obtida durante a realização do ensaio pode ser dividida em três estágios: primário, secundário e terciário, conforme demonstrado na Figura 2.
	
Figura 3 -- (a) Variação da deformação na fluência em função do tempo nos três estágios do ensaio. (b) Taxa de deformação em função do tempo.
O denominado estágio primário da curva de ensaio, ou fluência primária, parte I, é caracterizado por um decréscimo contínuo da taxa de fluência, definida como derivada da deformação pelo tempo, isto é, a inclinação da curva diminui com o tempo. Isso ocorre em função do aumento da resistência à fluência provocado pelo encruamento, ou seja, 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 que é observada no gráfico deve-se ao carregamento inicial da carga no corpo de prova.
No estágio secundário, ou fluência secundária, parte II, a taxa de fluência é essencialmente constante e a curva apresenta-se com aspecto linear. Essa região de inclinação constante é explicada em função do equilíbrio que ocorre entre dois fenômenos atuantes e competitivos que são o encruamento e a recuperação. Na recuperação, com a temperatura mais alta, a mobilidade atómica aumenta e vacâncias são ocupadas, discordâncias geradas devido à deformação plástica escalam bloqueios e também são anuladas. O valor médio da taxa de fluência no estágio secundário é chamado de taxa mínima de fluência. 
Finalmente, no estágio terciário ou fluência terciária, ocorre uma aceleração na taxa de fluência, culminando com a ruptura do corpo de prova, ocorrendo principalmente para ensaios submetidos a cargase/ou temperaturas elevadas. Nesse estágio tem início o processo interno de fratura, podendo-se citar entre eles a separação de contornos de grão, formação, crescimento e propagação de trincas, conduzindo a uma redução localizada de área no corpo de prova e a um consequente aumento na taxa de deformação até a ruptura (GARCIA; SPIM; SANTOS, 2000).
No ensaio de fluência se deve analisar os parâmetros no qual o corpo de prova está sendo submetido, pois fatores como tensão estática que está sendo aplicada sobre a amostra alterar o comportamento gerado na fluência sobre o material, conforme a Figura 3.
	
Figura 4 - Gráfico esquemático da variação de tensão no comportamento da curva de fluência.
Em outros casos a temperatura também tem que ser levada em consideração, alterando o comportamento da curva apresentada no ensaio de fluência, conforme a Figura 4.
	
Figura 5 - Gráfico esquemático da variação na temperatura.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
O ensaio foi monitorado durante todo o período de fluência, a cada determinado período de tempo era registrado no papel milimetrado a variação de comprimento que o fio de solda sofria, por consequência da fluência que ocorria nele. Com essa marcação é possível montar a Tabela 1, onde está o tempo das marcações e suas respectivas variações. 
	Tempo (min)
	Li (mm)
	2
	9,12
	4
	9,14
	6
	9,15
	8
	9,21
	10
	9,39
	12
	9,5
	14
	9,61
	20
	9,71
	24
	9,80
	26
	9,81
	28
	9,91
Tabela 1 - Dados do ensaio de fluência.
A partir dos dados disponíveis na metodologia, é possível calcular a tensão na qual a massa colocada vai exercer no corpo de prova, é possível chegar no valor de tensão igual a .
A deformação real gerada é calculada a partir da equação , e a tensão gerada pela massa sobre o fio é calculada a partir da equação . Onde: Li é a comprimento no instante; Lo é o comprimento inicial do ensaio; M é a massa utilizada no ensaio; d é o diâmetro do fio;
Com essas informações é possível calcular nos resultados a tensão na qual o fio de solda sofreu durante o ensaio e fazer o gráfico de deformação real por tempo, característico do ensaio de fluência. Segue abaixo:
	Tempo (min)
	ε=ln(Li/Lo) (mm/mm)
	2
	0,0000
	4
	0,0022
	6
	0,0033
	8
	0,0098
	10
	0,0292
	12
	0,0408
	14
	0,0523
	20
	0,0627
	24
	0,0719
	26
	0,0729
	28
	0,0831
Tabela 2 - Tempo x deformação do ensaio de fluência.
Desta forma plotamos o gráfico:
	Fase III
Fase II
Fase I
Gráfico 1 – Gráfico deformação x tempo do ensaio de fluência.
5 CONCLUSÃO
Com os dados e os gráficos apresentados nos resultados é possível dizer que o experimento do ensaio de fluência ocorreu de forma coerente e sucessível a ser reproduzido outras vezes, onde é seria possível adquirir mais dados para os resultados e serem feitas analises mais precisas e melhores do ensaio de fluência.
Neste ensaio o tempo e a temperatura afetam a durabilidade de um produto, e isto pode ser previsto pelos de ensaios de fluência. 
Como foi não possível esperar muito tempo, utilizam-se extrapolações, isto é, o ensaio é feito durante um tempo mais curto e, a partir da deformação obtida nesse intervalo, estima-se o comportamento do material por um tempo mais longo (vida útil do produto) e avalia-se a quantidade de deformação esperada ao longo deste tempo.
Para obter resultados significativos, é necessário realizar diversos ensaios no material, com diferentes cargas e temperaturas. As curvas assim obtidas devem representar as diversas situações práticas de uso do produto.
REFERENCIAS
ABNT. NBR6022: informação e documentação: artigo em publicação periódica científica impressa: apresentação. Rio de Janeiro, 2003a. 5 p.
_____. NBR6023: informação e documentação: elaboração: referências. Rio de Janeiro, 2002a. 24 p.
_____. NBR6024: Informação e documentação: numeração progressiva das seções de um documento. Rio de Janeiro, 2003b. 3 p.
_____. NBR10520: informação e documentação: citação em documentos. Rio de Janeiro, 2002b. 7 p.
_____. NBR14724: informação e documentação: trabalhos acadêmicos: apresentação. Rio de Janeiro, 2002c. 6 p. 
CALLISTER, Willian D. Jr.; RETHWISCH, David G. Ciência e engenharia de materiais: Uma introdução. 8. ed. Rio de Janeiro/RJ: LTC, 2002. 817 p. Tradução: Sergio Murilo Stamile Soares; Revisão técnica: José Roberto Moraes d´Almeida.
GARCIA, Amauri; SPIM, Jaime Alvares; SANTOS, Carlos Alexandre dos. Ensaio dos Materiais. Rio de Janeiro/RJ: LTC, 2000. 247 p.
Ensaio de Fluência
ε=ln(Li/Lo) (mm/mm)	2	4	6	8	10	12	14	20	24	26	28	0	2.1905813798186818E-3	3.2840752011900187E-3	9.8200461809757333E-3	2.9175489133931688E-2	4.08219945202552E-2	5.2334418895961077E-2	6.2686478216993788E-2	7.1912581590286323E-2	7.293246949103184E-2	8.3074544255656621E-2	Tempo (minutos)
Deformação (mm/mm)