Materiais elevada temperatura
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Materiais elevada temperatura


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Prof. Luiz Cláudio Cândido Prof. Leonardo Barbosa Godefroid
candido@em.ufop.br leonardo@em.ufop.br
METALURGIA MECÂNICA - I
RESPOSTA DE MATERIAIS EM \u201cELEVADAS\u201d TEMPERATURAS
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas \u2013 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 \u2013 E-mail: demet@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO 
Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas \u2013 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 \u2013 E-mail: demet@em.ufop.br
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RESPOSTA DE MATERIAIS EM \u201cELEVADAS\u201d TEMPERATURAS
1 - FLUÊNCIA dos MATERIAIS
Algumas aplicações de materiais em elevadas temperaturas:
turbinas, caldeiras
indústrias química e petroquímica
reatores nucleares
foguetes e ogivas de projéteis
maior mobilidade de discordâncias \u2013 escalagem;
ativação de novos mecanismos de deformação - mudança de sistemas de
deslizamento, introdução de adicionais sistemas de deslizamento, escorregamento
de contornos de grãos, etc.;
estabilidade de fases - recristalização e crescimento de grãos a partir de uma
estrutura deformada a frio, superenvelhecimento de uma estrutura de partículas
precipitadas, etc.;
oxidação catastrófica e penetração intergranular de óxido.
Modificações microestruturais decorrentes da exposição a uma temperatura
elevada:
Como a influência da temperatura nas propriedades mecânicas depende do tipo de
material considerado, define-se a \u201ctemperatura homóloga\u201d para caracterizar o
fenômeno de fluência.
Geralmente, a fluência torna-se importante, sob o ponto de vista da engenharia,
quando a temperatura homóloga é maior do que 0,5.
Fluência: deformação progressiva (dependente do tempo) de um material
submetido a uma \u201celevada\u201d temperatura, sob carga ou tensão constante.
Temperatura característica de fluência:
Define-se a temperatura homóloga (TH): TH = T/Tf
Tf \u2013 temperatura de fusão do material; T \u2013 temperatura de ensaio
Tabela 1 \u2013 Temperaturas \u201celevadas\u201d para alguns metais e ligas.
LIGA ou METAL T (oC)
Ligas de Al 205
Ligas de Ti 315
Aços de baixa-liga 370
Ligas austeníticas à base de Fe, para 
altas temperaturas
540
Ligas à base de Ni e/ou Co para altas 
temperaturas
650
Metais e ligas refratárias 980 - 1540
2 - A CURVA DE FLUÊNCIA
Ensaios de fluência: especificados por normas (ASTM E139/69); são simples, mas
demorados.
Tipos de ensaios:
\u2022 Ensaio com carga constante - mais usado; visa obter a taxa de deformação;
\u2022 Ensaio com tensão constante - imprime carga decrescente com o tempo;
\u2022 Ensaio de ruptura - é um ensaio acelerado, para obtenção do tempo de ruptura.
Seqüência do ensaio: imprimir carga ou tensão constante, a uma dada temperatura, e
medir o comprimento do corpo-de-prova em função do tempo.
Máquina para ensaios de fluência com carga constante.
(CDTN/CNEN)
A curva de fluência.
c) o balanço entre endurecimento e recuperação é perdido, devido a alguma
instabilidade metalúrgica - estricção localizada, corrosão, fratura intergranular,
formação de microcavidades, precipitação de partículas frágeis de segunda fase,
dissolução de partículas endurecedoras, recristalização de grãos, etc.
Estágios da curva de fluência:
0: aplicação instantânea da carga
Estágio I: estágio primário de fluência ou estágio transiente;
a) a taxa de fluência, d /dt, é decrescente;
b) alterações na subestrutura de discordâncias, que dificultam o movimento
de discordâncias.
Estágio II: estágio secundário de fluência ou estágio estacionário;
a) a taxa de fluência, d /dt, permanece constante;
b) subestrutura estável de discordâncias, balanço dinâmico entre
endurecimento e recuperação.
Estágio III: estágio terciário de fluência;
b) ocorre para elevados níveis de carregamento e/ou de temperatura; 
a) a taxa de fluência, d /dt, cresce rapidamente;
Variação da deformação por fluência com o tipo de solicitação. 
Algumas equações para a curva de fluência:
a) Trabalho pioneiro de Andrade (1914):
0
1
31 t k texp
: deformação no tempo t;
0 : deformação instantânea no carregamento;
, k: constantes.
Representação esquemática das curvas de fluência, segundo Andrade.
Algumas equações para a curva de fluência:
b) Trabalho de Bailey ( 1935):
0 t
n
, n: constantes.
Algumas equações para a curva de fluência:
c) Trabalho de Garofalo (1960):
0 1t srt texp
t : limite para a fluência transiente (estágio 1);
r : relação entre a taxa de fluência transiente e a deformação transiente;
: taxa de fluência no estágio 2.
s
Variação da taxa de fluência com o carregamento ou temperatura.
Representação esquemática dos efeitos da tensão e temperatura nas curvas de fluência.
Método de registro de um ensaio de ruptura por fluência.
Curvas de ensaio de ruptura por fluência.
3 - MUDANÇAS ESTRUTURAIS DURANTE A FLUÊNCIA
A partir da curva x t de fluência, se traçarmos a curva d /dt x , poderemos perceber a
grande mudança que ocorre com a taxa de fluência durante o ensaio, a referida variação
é proveniente de mudanças na estrutura interna do material em função da
deformação e do tempo.
Representação esquemática da variação da taxa de fluência com a deformação.
\uf0d8 Deslizamento
\uf0d8 Formação de subgrãos
\uf0d8 Escorregamento de contornos de grãos
Deslizamento:
\u2022 operação de novos sistemas de deslizamento;
\u2022 bandas de deslizamento mais grossas e mais largamente espaçadas.
Formação de subgrãos:
\u2022 rearranjo de discordâncias, formando contornos de baixo ângulo e uma estrutura de
subgrãos;
\u2022 predominância em metais com elevada energia de falha de empilhamento, uma vez
que para metais com baixa energia de falha de empilhamento há uma tendência para
recristalização.
Os principais processos de deformação em temperaturas elevadas são:
\u2022 processo de cisalhamento que ocorre na direção do contorno de grão, a partir do
movimento de grãos adjacentes;
\u2022 promovido por T e/ou d /dt;
\u2022 ocorre descontinuamente com o tempo, com um deslocamento não uniforme ao
longo do contorno de grão;
\u2022 conseqüência: iniciação do processo de fratura em contornos de grão.
Escorregamento de contornos de grãos:
4 - MECANISMOS DE FLUÊNCIA
\u2022 A história sobre a evolução do entendimento do fenômeno de fluência pode
ser dividida em dois períodos: antes e depois de 1954.
\u2022 Neste ano, Orr, Sherby e Dorn introduziram o importante conceito de que as
energias de ativação para o processo de fluência e para a difusão de átomos
são iguais, para um apreciável número de metais e ligas (mais de 25).
s
nA
Q
RT
exp
A, n: constantes;
Q : energia de ativação para fluência/difusão.
Energia de ativação para fluência (estágio 2) e para auto-difusão numa série de metais.
\u2022 Por outro lado, para temperaturas intermediárias e elevadas (T > 0,5 Tf ), outros
mecanismos tornam-se importantes. Estes mecanismos podem ser divididos em
4 grandes grupos:
\uf0c6 fluência por difusão;
\uf0c6 fluência por discordâncias;
\uf0c6 deslizamento de discordâncias;
\uf0c6 escorregamento de contornos de grãos.
\u2022 Para temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do
material, os mecanismos dominantes de deformação são o deslizamento e a
maclação.
FLUÊNCIA POR DIFUSÃO
\u2022 Envolve o fluxo de lacunas e de intersticiais através dos grãos, sob a influência
da tensão aplicada.
\u2022 Ocorre para /G < 10-4.
\u2022 Mecanismo de Nabarro-Herring (1950) -
difusão dentro dos grãos:
Representação esquemática de escoamento de lacunas, resultando no 
aumento do comprimento de grãos.
\u2022 Mecanismo de Coble (1963): difusão pelos contornos de grãos (CG). Esta difusão
resulta no deslizamento de CG.
Modelo de Ashby (1972) - a partir da combinação dos mecanismos de
Nabarro/Herring e Coble: