Entendendo a fluência em um material

A fluência, às vezes conhecida como fluxo frio, é a tendência de um material sólido se mover lentamente ou sofrer deformação irreversível quando submetido a cargas mecânicas contínuas. Ao examinar componentes que operam sob altas cargas ou altas temperaturas, engenheiros e metalúrgicos normalmente se preocupam com a fluência. Um mecanismo de deformação chamado fluência pode ou não ser um modo de falha. Neste artigo, as respostas para as seguintes perguntas serão respondidas:

• O que é fluência em um material?
• Quais são os estágios da fluência do material?
• O que é força de fluência?
• Quais são os tipos de deformação por fluência?
• Quais são os casos comuns de fluência?
• Como medir a força de fluência?
• Como minimizar ou evitar a deformação por fluência?

Agora vamos mergulhar!

O que é fluência em um material?

A fluência, às vezes conhecida como fluxo frio, é a tendência de um material sólido se mover lentamente ou sofrer deformação irreversível quando submetido a cargas mecânicas contínuas.

Isso pode acontecer como resultado da exposição prolongada a altos níveis de estresse que ainda estão abaixo do limite de escoamento do material. A exposição ao calor a longo prazo torna a fluência mais severa e muitas vezes piora à medida que os materiais se aproximam do ponto de fusão. As qualidades do material, o período de exposição, a temperatura de exposição e a carga estrutural aplicada afetam a rapidez com que um material se deforma.

Com base na intensidade da tensão aplicada e quanto tempo ela dura, a deformação pode aumentar até o ponto em que um componente não pode mais servir ao seu propósito. Por exemplo, a fluência de uma lâmina de turbina pode fazer com que a lâmina entre em contato com a carcaça e falhe. Ao examinar componentes que operam sob altas cargas ou altas temperaturas, engenheiros e metalúrgicos normalmente se preocupam com a fluência. Um mecanismo de deformação chamado fluência pode ou não ser um modo de falha.

Por exemplo, alguns engenheiros de concreto gostam de fluência modesta porque reduz deformações de tração que poderiam induzir rachaduras. A deformação por fluência não acontece instantaneamente quando o estresse é aplicado, ao contrário de uma fratura frágil. Em vez disso, o estresse persistente leva ao acúmulo de tensão. A fluência é uma deformação “dependente do tempo” como resultado.

Quais são os estágios da fluência do material?

A fluência é um tipo de deformação do metal que ocorre em cargas abaixo da resistência ao escoamento de um metal, geralmente em altas temperaturas. Existem três fases para rastejar:

• Primário ou Estágio I
• Secundário ou Estágio II
• Terciário ou Estágio III

Primário ou Estágio I

Durante o processo de deformação, ocorre primeiro a fluência primária. A deformação elástica acaba de começar neste ponto. O alongamento da ligação atômica resulta em deformação elástica temporária. A deformação plástica permanente começa a ocorrer após a deformação elástica. Essa distorção começa mais rapidamente durante o estágio de fluência primária e depois diminui com o tempo. O encruamento é a causa da diminuição da taxa de fluência que ocorre próximo ao final do estágio primário de fluência.

Secundário ou Estágio II

Uma vez que a taxa de deformação começa a se estabilizar e se tornar constante, a fluência secundária começa. Quando comparado com o primeiro estágio e o terceiro estágio de fluência, a deformação durante a fluência secundária ocorre muito lentamente. Como não houve nenhum dano microestrutural, a taxa de fluência é constante e bastante lenta.

Terciário ou Estágio III

O processo de deformação por fluência termina com fluência terciária. Uma vez danificada a microestrutura do metal, inicia-se esta etapa do processo de fluência. À medida que a microestrutura continua a se deteriorar cada vez mais, a taxa de deformação aumenta. O metal eventualmente fratura e falha uma vez que foram produzidos vazios microestruturais suficientes.

O que é força de fluência?

O material responde de forma diferente quando submetido a alta tensão imediata ou tensão sustentada por um período prolongado. Quando um material é continuamente deformado mecanicamente, parece mover-se lentamente ou deformar-se permanentemente.

O Crawl é o nome dessa tendência inata. Temperatura, tempo, tensão e composição da liga são alguns dos fatores que afetam o início e o desenvolvimento da fluência em um material. A taxa de deformação por fluência é o nome dado à porcentagem de escorregamento. A Creep precisa aprender sobre muitas aplicações de engenharia, particularmente aquelas que lidam com altas temperaturas e tensões. Alguns exemplos de impacto rastejante em linhas de vapor, naves espaciais e turbinas são disco e lâmina.

O limite de fluência, também conhecido como resistência à fluência, mede o quão bem um material pode resistir à fluência. O estresse, em particular, refere-se aos fatores externos que causam uma taxa de fluência constante. Isso implica que a maior tensão que o material sofreu sem se deformar significativamente por um determinado período é o que causa a resistência a trincas.

Quais são os tipos de deformação por fluência?

Deslocamentos de deslocamento, difusão por difusão (difusão em massa ou difusão no contorno de grão), deslocamento por deslizamento e deslizamento por deslocamento e deslizamento por deslizamento acionado termicamente são alguns exemplos de deformação por deformação. Esses muitos mecanismos de fluência são todos dependentes da temperatura na qual o material está se deformando, da quantidade de tensão sob o qual o material está e da microestrutura e composição do material.

Trilhos soldados continuamente aquecidos pela luz solar direta, por exemplo, podem empenar em uma ferrovia. Isso é causado pela crescente tensão do aço e pela fluência resultante. Sob fluência moderada, o concreto pode fraturar, mas isso ocasionalmente é vantajoso, pois ajuda a reduzir as tensões de tração na estrutura. O estresse constante nos polímeros resulta em um processo de aumento de tensão dependente do tempo chamado fluência viscoelástica.

Quais são os casos comuns de fluência?

Na maioria das vezes, a fluência pode ser notada em algumas aplicações. Por causa de suas baixas cargas estáticas e baixas temperaturas de operação, os quadros automotivos, por exemplo, são mais focados na resistência ao impacto. Por outro lado, se o material errado for escolhido, certos componentes do motor do carro expostos a altas cargas e temperaturas da combustão do motor podem sofrer fluência.

Aplicações com alto calor e estresse extremo são frequentemente propensas a fluência. Exemplos incluem a produção de energia nuclear, peças de motores industriais, filamentos de metal aquecidos, peças de motores a jato e tubos pressurizados de alta temperatura.

Como medir a força de fluência?

Uma máquina de teste de fluência, uma ferramenta que mede a distorção de um material sob várias tensões, é usada para avaliar a resistência à fluência. Com temperatura ou carregamento como variáveis, ele pode ser usado para plotar quanta tensão e deformação um material pode suportar. Os 3 estágios únicos de fluência - fluência primária, fluência em estado estacionário e fluência terciária - são exibidos no gráfico a seguir.

A temperatura e o intervalo de tempo para cada etapa de fluência podem ser determinados a partir do gráfico. Assim, o estágio de fluência terciário do gráfico pode ser usado para determinar a resistência à fluência ou o limite de fluência. Para minimizar os efeitos da expansão térmica, é essencial regular a temperatura da câmara onde o teste de fluência é realizado.

Como minimizar ou evitar a deformação por fluência?

Agora é óbvio que a deformação por fluência é tipicamente uma coisa ruim. Certas considerações de projeto podem ser feitas para diminuir seu impacto ou impedir que ocorra, algumas das quais incluem:

• Utilize materiais de cristal único com grãos grandes para reduzir o deslizamento do contorno de grão e adicione soluções sólidas para eliminar vazios microestruturais.
• Utilize substâncias com alto ponto de fusão.
• Use metais cúbicos de centro de face (FCC) em vez de metais cúbicos de centro de corpo (BCC) para reduzir a difusividade devido a seus coeficientes de difusão mais baixos.
• Utilize materiais com alto módulo de cisalhamento ou liga prática.
• Abaixe a temperatura de operação do material durante o uso (específico do aplicativo).

Em resumo

Está claro agora que a deformação por fluência é geralmente um fenômeno indesejado. Para reduzir seu efeito ou evitar que isso aconteça, o passo acima deve ser seguido.

Na ciência dos materiais, a fluência é a tendência de um material sólido se mover lentamente ou se deformar permanentemente sob a influência de tensões mecânicas persistentes.

Isso é tudo para este artigo, onde as seguintes perguntas estão sendo respondidas:

• O que é fluência em um material?
• Quais são os estágios da fluência do material?
• O que é força de fluência?
• Quais são os tipos de deformação por fluência?
• Quais são os casos comuns de fluência?
• Como medir a força de fluência?
• Como minimizar ou evitar a deformação por fluência?

Espero que você aprenda muito com a leitura, se assim for, compartilhe com os outros obrigado por ler, e até a próxima!