Fluência (deformação) - Creep (deformation)

O movimento do gelo em uma geleira é um exemplo de rastejamento em sólidos.

Na ciência dos materiais , fluência (às vezes chamada de fluxo frio ) é a tendência de um material sólido se mover lentamente ou se deformar permanentemente sob a influência de tensões mecânicas persistentes . Pode ocorrer como resultado da exposição de longo prazo a altos níveis de estresse que ainda estão abaixo do limite de escoamento do material. A fluência é mais severa em materiais sujeitos ao calor por longos períodos e geralmente aumenta à medida que se aproximam de seu ponto de fusão.

A taxa de deformação é uma função das propriedades do material, do tempo de exposição, da temperatura de exposição e da carga estrutural aplicada . Dependendo da magnitude da tensão aplicada e de sua duração, a deformação pode se tornar tão grande que um componente não pode mais desempenhar sua função - por exemplo, a deformação de uma lâmina de turbina pode fazer com que a lâmina entre em contato com o revestimento, resultando na falha do lâmina. A fluência costuma ser uma preocupação para engenheiros e metalúrgicos ao avaliar componentes que operam sob altas tensões ou altas temperaturas. Fluência é um mecanismo de deformação que pode ou não constituir um modo de falha . Por exemplo, fluência moderada no concreto às vezes é bem-vinda porque alivia tensões de tração que poderiam levar a rachaduras.

Ao contrário da fratura frágil , a deformação por fluência não ocorre repentinamente com a aplicação de tensão. Em vez disso, a tensão se acumula como resultado do estresse de longo prazo. Portanto, a fluência é uma deformação "dependente do tempo".

Dependência da temperatura

A faixa de temperatura na qual a deformação por fluência pode ocorrer difere em vários materiais. A deformação por fluência geralmente ocorre quando um material é tensionado a uma temperatura próxima ao seu ponto de fusão. Enquanto o tungstênio requer uma temperatura na casa dos milhares de graus antes que a deformação por fluência possa ocorrer, o chumbo pode se espalhar em temperatura ambiente e o gelo irá se espalhar em temperaturas abaixo de 0 ° C (32 ° F). Plásticos e metais de baixa temperatura de fusão, incluindo muitas soldas, podem começar a se infiltrar na temperatura ambiente. O fluxo da geleira é um exemplo de processos de fluência no gelo. Os efeitos da deformação por fluência geralmente se tornam perceptíveis a aproximadamente 35% do ponto de fusão para metais e a 45% do ponto de fusão para cerâmicas.

Estágios

Deformação ( ε ) em função do tempo devido à tensão constante durante um período prolongado para um material de Classe M.

O comportamento de fluência pode ser dividido em três estágios principais. Na fluência primária ou transitória, a taxa de deformação é uma função do tempo. Em materiais Classe M, que incluem a maioria dos materiais puros, a taxa de deformação diminui com o tempo. Isso pode ser devido ao aumento da densidade de deslocamento ou pode ser devido à evolução do tamanho do grão . Em materiais de classe A, que têm grandes quantidades de endurecimento de solução sólida, a taxa de deformação aumenta com o tempo devido ao adelgaçamento dos átomos de arrasto do soluto conforme os deslocamentos se movem.

No estado estacionário ou secundário, a fluência, a estrutura de deslocamento e o tamanho do grão atingiram o equilíbrio e, portanto, a taxa de deformação é constante. As equações que geram uma taxa de deformação referem-se à taxa de deformação em estado estacionário. A dependência de estresse dessa taxa depende do mecanismo de fluência.

Na fluência terciária, a taxa de deformação aumenta exponencialmente com o estresse. Isso pode ser devido a fenômenos de estrangulamento , rachaduras internas ou vazios, que diminuem a área da seção transversal e aumentam a tensão real na região, acelerando ainda mais a deformação e levando à fratura.

Mecanismos de deformação

Dependendo da temperatura e da tensão, diferentes mecanismos de deformação são ativados. Embora geralmente haja muitos mecanismos de deformação ativos o tempo todo, geralmente um mecanismo é dominante, sendo responsável por quase todas as deformações.

Vários mecanismos são:

  • Difusão em massa ( Nabarro – Herring creep )
  • Difusão de limite de grão ( fluência de Coble )
  • Deslocamento de deslocamento controlado por planeio: deslocamentos se movem através de planeio e subida, e a velocidade de planeio é o fator dominante na taxa de deformação
  • Deslocamento de deslocamento controlado por escalada: deslocamentos se movem por meio de planagem e subida, e a velocidade de subida é o fator dominante na taxa de deformação
  • Fluência Harper-Dorn: um mecanismo de fluência de baixa tensão em alguns materiais puros

Em baixas temperaturas e baixa tensão, a fluência é essencialmente inexistente e todas as deformações são elásticas. Em baixas temperaturas e alta tensão, os materiais sofrem deformação plástica em vez de deformação. Em altas temperaturas e baixo estresse, a fluência difusional tende a ser dominante, enquanto em altas temperaturas e alta tensão, a fluência por deslocamento tende a ser dominante.

Mapas de mecanismo de deformação

Os mapas do mecanismo de deformação fornecem uma ferramenta visual que categoriza o mecanismo de deformação dominante como uma função da temperatura homóloga , tensão normalizada do módulo de cisalhamento e taxa de deformação. Geralmente, duas dessas três propriedades (mais comumente temperatura e estresse) são os eixos do mapa, enquanto a terceira é desenhada como contornos no mapa.

Para preencher o mapa, equações constitutivas são encontradas para cada mecanismo de deformação. Eles são usados ​​para resolver os limites entre cada mecanismo de deformação, bem como os contornos da taxa de deformação. Mapas de mecanismo de deformação podem ser usados ​​para comparar diferentes mecanismos de reforço, bem como comparar diferentes tipos de materiais.

Equação geral

onde ε é a deformação de fluência, C é uma constante dependente do material e do mecanismo de fluência particular, m e b são expoentes dependentes do mecanismo de fluência, Q é a energia de ativação do mecanismo de fluência, σ é a tensão aplicada, d é o tamanho de grão do material, k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura absoluta .

Deslocamento creep

Em altas tensões (em relação ao módulo de cisalhamento ), a fluência é controlada pelo movimento dos deslocamentos . Para fluência de deslocamento, Q  =  Q (autodifusão), 4 ≤  m  ≤ 6 eb  <1. Portanto, a fluência de deslocamento tem uma forte dependência da tensão aplicada e da energia de ativação intrínseca e uma dependência mais fraca do tamanho do grão. Conforme o tamanho do grão fica menor, a área do limite do grão fica maior, então o movimento de deslocamento é impedido.

Algumas ligas exibem um expoente de tensão muito grande ( m  > 10), e isso normalmente foi explicado pela introdução de uma "tensão limite", σ th , abaixo da qual a fluência não pode ser medida. A equação da lei de potência modificada torna-se então:

onde A , Q e m podem ser explicados por mecanismos convencionais (então 3 ≤  m  ≤ 10), e R é a constante do gás . A fluência aumenta com o aumento da tensão aplicada, uma vez que a tensão aplicada tende a levar o deslocamento além da barreira e fazer com que o deslocamento entre em um estado de menor energia após contornar o obstáculo, o que significa que o deslocamento tende a ultrapassar o obstáculo. Em outras palavras, parte do trabalho necessário para superar a barreira de energia da ultrapassagem de um obstáculo é fornecida pela tensão aplicada e o restante pela energia térmica.

Nabarro-Arenque creep

Um diagrama que mostra a difusão de átomos e vacâncias sob fluência de Nabarro-Herring.

A fluência de Nabarro-Herring (NH) é uma forma de fluência por difusão , enquanto a fluência por deslocamento por deslocamento não envolve difusão atômica. A fluência Nabarro – Herring domina em altas temperaturas e baixas tensões. Conforme mostrado na figura à direita, os lados laterais do cristal são submetidos a tensões de tração e os lados horizontais a tensões de compressão. O volume atômico é alterado pelo estresse aplicado: aumenta nas regiões sob tensão e diminui nas regiões sob compressão. Assim, a energia de ativação para formação de vacância é alterada em ± σΩ , onde Ω é o volume atômico, o valor positivo é para regiões de compressão e o valor negativo é para regiões de tração. Uma vez que a concentração de vacância fracionada é proporcional a exp (- Q f ± σΩ/RT) , onde Q f é a energia de formação de vacância, a concentração de vacância é maior em regiões de tração do que em regiões compressivas, levando a um fluxo líquido de vacâncias das regiões sob compressão para as regiões sob tensão, e isso é equivalente a uma rede difusão do átomo na direção oposta, o que causa a deformação por fluência: o grão se alonga no eixo da tensão de tração e se contrai no eixo da tensão de compressão.

Na fluência de Nabarro-Herring, k está relacionado ao coeficiente de difusão dos átomos através da rede, Q  =  Q (autodifusão), m  = 1 e b  = 2. Portanto, a fluência de Nabarro-Herring tem uma dependência de tensão fraca e moderada dependência do tamanho do grão, com a taxa de fluência diminuindo conforme o tamanho do grão é aumentado.

A fluência de Nabarro-Herring é fortemente dependente da temperatura. Para que a difusão de átomos em rede ocorra em um material, os sítios de rede vizinhos ou sítios intersticiais na estrutura cristalina devem estar livres. Um dado átomo também deve superar a barreira de energia para mover-se de seu local atual (ele está em um poço de potencial energeticamente favorável ) para o local vazio próximo (outro poço de potencial). A forma geral da equação de difusão é

onde D 0 depende da frequência de tentativa de salto e do número de sites vizinhos mais próximos e da probabilidade de os sites estarem vazios. Portanto, há uma dependência dupla da temperatura. Em temperaturas mais altas, a difusividade aumenta devido à dependência direta da equação com a temperatura, ao aumento das vacâncias por meio da formação do defeito de Schottky e ao aumento da energia média dos átomos no material. A fluência de Nabarro-Herring domina em temperaturas muito altas em relação à temperatura de fusão de um material.

Coble creep

A fluência de Coble é a segunda forma de fluência controlada por difusão. Na fluência de Coble, os átomos se difundem ao longo dos limites dos grãos para alongar os grãos ao longo do eixo de tensão. Isso faz com que a fluência Coble tenha uma dependência do tamanho de grão mais forte do que a fluência Nabarro-Herring, portanto, a fluência Coble será mais importante em materiais compostos de grãos muito finos. Para Coble, a fluência k está relacionada ao coeficiente de difusão de átomos ao longo do contorno do grão, Q  =  Q (difusão do contorno do grão), m  = 1 e b  = 3. Porque Q (difusão do contorno do grão) é menor que Q (autodifusão) , A fluência de Coble ocorre em temperaturas mais baixas que a fluência de Nabarro-Herring. A fluência de Coble ainda depende da temperatura, à medida que a temperatura aumenta, o mesmo acontece com a difusão do contorno de grão. No entanto, como o número de vizinhos mais próximos é efetivamente limitado ao longo da interface dos grãos e a geração térmica de vagas ao longo dos limites é menos prevalente, a dependência da temperatura não é tão forte quanto na fluência Nabarro-Herring. Também exibe a mesma dependência linear da tensão que a fluência Nabarro-Herring. Geralmente, a taxa de fluência difusional deve ser a soma da taxa de fluência de Nabarro-Herring e a taxa de fluência de Coble. A fluência difusional leva à separação dos limites dos grãos, ou seja, vazios ou rachaduras se formam entre os grãos. Para curar isso, ocorre o deslizamento do limite do grão. A taxa de fluência difusional e a taxa de deslizamento do contorno de grão devem ser equilibradas se não houver vazios ou rachaduras remanescentes. Quando o deslizamento de limite de grão não pode acomodar a incompatibilidade, vazios de limite de grão são gerados, o que está relacionado ao início da fratura por fluência.

Solute drag creep

Solute drag creep é um dos mecanismos para power-law creep (PLC), envolvendo tanto o deslocamento quanto o fluxo difusional. A fluência de arrasto do soluto é observada em certas ligas metálicas . Nessas ligas, a taxa de fluência aumenta durante o primeiro estágio de fluência (fluência transitória) antes de atingir um valor de estado estacionário. Este fenômeno pode ser explicado por um modelo associado ao reforço de solução sólida. Em baixas temperaturas, os átomos de soluto são imóveis e aumentam a tensão de fluxo necessária para mover os deslocamentos. No entanto, em temperaturas mais altas, os átomos de soluto são mais móveis e podem formar atmosferas e nuvens em torno dos deslocamentos. Isso é especialmente provável se o átomo de soluto tiver um grande desajuste na matriz. Os solutos são atraídos pelos campos de tensão de deslocamento e são capazes de aliviar os campos de tensão elástica de deslocamentos existentes. Assim, os solutos ficam ligados aos deslocamentos. A concentração de soluto, C , à distância, r , de um deslocamento é dada pela atmosfera de Cottrell definida como

onde C 0 é a concentração em r  = ∞ e β é uma constante que define a extensão da segregação do soluto. Quando cercados por uma atmosfera de soluto, os deslocamentos que tentam deslizar sob uma tensão aplicada são submetidos a uma tensão reversa exercida sobre eles pela nuvem de átomos de soluto. Se a tensão aplicada for suficientemente alta, o deslocamento pode eventualmente se desprender da atmosfera, permitindo que o deslocamento continue deslizando sob a ação da tensão aplicada. A força máxima (por unidade de comprimento) que a atmosfera de átomos de soluto pode exercer no deslocamento é dada por Cottrell e Jaswon

Quando a difusão de átomos de soluto é ativada em temperaturas mais altas, os átomos de soluto que estão "ligados" aos deslocamentos pelo desajustado podem se mover junto com os deslocamentos das bordas como um "arrasto" em seu movimento se o movimento de deslocamento ou a taxa de fluência não for muito alto. A quantidade de "arrasto" exercido pelos átomos de soluto no deslocamento está relacionada à difusividade dos átomos de soluto no metal naquela temperatura, com uma difusividade maior levando a um arrasto menor e vice-versa. A velocidade na qual os deslocamentos deslizam pode ser aproximada por uma lei de potência da forma

onde m é o expoente de tensão efetivo, Q é a energia de ativação aparente para o planeio e B 0 é uma constante. O parâmetro B na equação acima foi derivado por Cottrell e Jaswon para interação entre átomos de soluto e deslocamentos com base no desajuste de tamanho atômico relativo ε a de solutos a serem

onde k é a constante de Boltzmann e r 1 e r 2 são os raios de corte interno e externo do campo de tensão de deslocamento. c 0 e D sol são a concentração atômica do soluto e a difusividade do soluto, respectivamente. D sol também tem uma dependência da temperatura que faz uma contribuição determinante para Q g .

Se a nuvem de solutos não se forma ou os deslocamentos conseguem se desprender de suas nuvens, o planeio ocorre de forma brusca, onde obstáculos fixos, formados por deslocamentos em combinação com solutos, são superados após certo tempo de espera com suporte por ativação térmica . O expoente m é maior que 1 neste caso. As equações mostram que o efeito de endurecimento dos solutos é forte se o fator B na equação da lei de potência for baixo, de modo que os deslocamentos se movam lentamente e a difusividade D sol seja baixa. Além disso, átomos de soluto com alta concentração na matriz e forte interação com deslocamentos são jardineiros fortes. Uma vez que a cepa desajustada de átomos de soluto é uma das maneiras pelas quais eles interagem com os deslocamentos, segue-se que os átomos de soluto com grande desajuste atômico são jardineiros fortes. Uma baixa difusividade D sol é uma condição adicional para um forte endurecimento.

Solute drag creep às vezes mostra um fenômeno especial, sobre uma taxa de deformação limitada, que é chamado de efeito Portevin – Le Chatelier . Quando a tensão aplicada se torna suficientemente grande, os deslocamentos se separam dos átomos de soluto, pois a velocidade de deslocamento aumenta com o estresse. Após a quebra, a tensão diminui e a velocidade de deslocamento também diminui, o que permite que os átomos de soluto se aproximem e alcancem os deslocamentos anteriores novamente, levando a um aumento da tensão. O processo se repete quando o próximo máximo de tensão local for obtido. Portanto, máximos e mínimos de tensão local repetitiva podem ser detectados durante a fluência de arrasto do soluto.

Deslocamento subida-deslizamento fluência

A fluência de deslocamento subida-deslizamento é observada em materiais em alta temperatura. A taxa de fluência inicial é maior do que a taxa de fluência em estado estacionário. A fluência escalada-deslizamento pode ser ilustrada da seguinte forma: quando a tensão aplicada não é suficiente para um deslocamento em movimento superar o obstáculo em seu caminho por meio do deslizamento de deslocamento sozinho, o deslocamento pode subir para um plano de deslizamento paralelo por processos difusionais, e o deslocamento pode planar no novo avião. Esse processo se repete cada vez que o deslocamento encontra um obstáculo. A taxa de fluência pode ser escrita como:

onde A CG inclui detalhes da geometria do loop de deslocamento, D L é a difusividade da rede, M é o número de fontes de deslocamento por unidade de volume, σ é a tensão aplicada e Ω é o volume atômico. O expoente m para deslocamento subida-deslizamento fluência é 4,5 se M é independente da tensão e este valor de m é consistente com os resultados de estudos experimentais consideráveis.

Harper-Dorn creep

A fluência Harper-Dorn é um mecanismo de deslocamento controlado por subida em baixas tensões que tem sido observado em sistemas de alumínio, chumbo e estanho, além de sistemas não metálicos, como cerâmica e gelo. É caracterizado por dois fenômenos principais: uma relação de lei de potência entre a taxa de deformação em estado estacionário e a tensão aplicada a uma temperatura constante que é mais fraca do que a lei de potência natural de fluência e uma relação independente entre a taxa de deformação em estado estacionário e tamanho de grão para uma determinada temperatura e tensão aplicada. A última observação implica que a fluência Harper-Dorn é controlada pelo movimento de deslocamento; a saber, uma vez que a fluência pode ocorrer por difusão de vacância (fluência de Nabarro-Herring, fluência de Coble), deslizamento de limite de grão e / ou movimento de deslocamento, e uma vez que os primeiros dois mecanismos são dependentes do tamanho de grão, a fluência de Harper-Dorn deve, portanto, ser deslocamento- dependente do movimento. O mesmo também foi confirmado em 1972 por Barrett e colaboradores, onde os precipitados de FeAl 3 reduziram as taxas de fluência em 2 ordens de magnitude em comparação com Al altamente puro, indicando que a fluência de Harper-Dorn é um mecanismo baseado em deslocamento.

No entanto, a fluência Harper-Dorn é normalmente dominada por outros mecanismos de fluência na maioria das situações e, portanto, não é observada na maioria dos sistemas. A equação fenomenológica que descreve a fluência Harper-Dorn é

onde ρ 0 é a densidade de deslocamento (constante para fluência Harper-Dorn), D v é a difusividade através do volume do material, L é o módulo de cisalhamento e b é o vector Burgers, σ s , e n é o expoente de fluência que varia entre 1 e 3.

A energia de ativação volumétrica indica que a taxa de fluência Harper-Dorn é controlada pela difusão de vacância de e para os deslocamentos, resultando em movimento de deslocamento controlado por subida. Ao contrário de outros mecanismos de fluência, a densidade de deslocamento aqui é constante e independente da tensão aplicada. Além disso, a densidade de deslocamento deve ser baixa para que a fluência Harper-Dorn domine. Foi proposto que a densidade aumente à medida que os deslocamentos se movem por meio de deslizamento cruzado de um plano de deslizamento para outro, aumentando assim o comprimento do deslocamento por unidade de volume. O deslizamento cruzado também pode resultar em saltos ao longo do comprimento do deslocamento, o que, se grande o suficiente, pode atuar como fontes de deslocamento de ponta única. De acordo com um estudo recente, a densidade de deslocamento extremamente baixa em um único material cristalino resultará na lei de potência natural ( n ≈ 3). Por outro lado, n pode variar entre 1 e 3 com base nas densidades de deslocamento inicial dos cristais, que são ligeiramente mais altas.

Sinterização

Em altas temperaturas, é energeticamente favorável para os vazios encolherem em um material. A aplicação de tensões de tração opõe-se à redução da energia obtida pelo encolhimento dos vazios. Assim, uma certa magnitude de tensão de tração aplicada é necessária para compensar esses efeitos de retração e causar crescimento de vazio e fratura por fluência em materiais em alta temperatura. Essa tensão ocorre no limite de sinterização do sistema.

A tensão que tende a encolher os vazios que deve ser superada está relacionada à energia superficial e à relação área-volume da superfície dos vazios. Para um vazio geral com energia superficial γ e raios de curvatura principais de r 1 e r 2 , a tensão limite de sinterização é

Abaixo desse estresse crítico, os vazios tendem a diminuir em vez de aumentar. Efeitos adicionais de retração de vazio também resultarão da aplicação de uma tensão compressiva. Para descrições típicas de fluência, assume-se que a tensão de tração aplicada excede o limite de sinterização.

Creep também explica uma das várias contribuições para a densificação durante a sinterização de pó metálico por prensagem a quente. Um aspecto principal da densificação é a mudança de forma das partículas de pó. Uma vez que esta mudança envolve deformação permanente de sólidos cristalinos, ela pode ser considerada um processo de deformação plástica e, portanto, a sinterização pode ser descrita como um processo de fluência em alta temperatura. A tensão compressiva aplicada durante a prensagem acelera as taxas de retração de vazio e permite uma relação entre a lei de potência de fluência em estado estacionário e a taxa de densificação do material. Observa-se que esse fenômeno é um dos principais mecanismos de densificação nas fases finais da sinterização, durante as quais a taxa de densificação (assumindo poros livres de gás) pode ser explicada por:

em que ρ̇ é a taxa de densificação, ρ é a densidade, P e é a pressão aplicada, n descreve o expoente do comportamento da taxa de deformação e A é uma constante dependente do mecanismo. A e n são da seguinte forma da equação geral de fluência em estado estacionário,

onde ε̇ é a taxa de deformação e σ é a tensão de tração. Para os fins deste mecanismo, a constante A vem da seguinte expressão, onde A ′ é uma constante experimental adimensional, μ é o módulo de cisalhamento, b é o vetor de Burgers, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura absoluta, D 0 é o coeficiente de difusão, e Q é a energia de ativação de difusão:

Exemplos

Polímeros

a) Tensão aplicada eb) tensão induzida em função do tempo durante um curto período para um material viscoelástico.

A fluência pode ocorrer em polímeros e metais que são considerados materiais viscoelásticos . Quando um material polimérico é submetido a uma força abrupta, a resposta pode ser modelada usando o modelo Kelvin-Voigt . Neste modelo, o material é representado por uma mola de Hookean e uma newtoniana dashpot em paralelo. A deformação de fluência é dada pela seguinte integral de convolução :

onde σ é a tensão aplicada, C 0 é a complacência instantânea à fluência, C é o coeficiente de complacência à fluência, τ é o tempo de retardo e f ( τ ) é a distribuição dos tempos de retardo.

Quando submetidos a uma tensão constante em degrau, os materiais viscoelásticos sofrem um aumento de deformação dependente do tempo. Este fenômeno é conhecido como fluência viscoelástica.

Em um tempo t 0 , um material viscoelástico é carregado com uma tensão constante que é mantida por um período de tempo suficientemente longo. O material responde ao estresse com uma deformação que aumenta até que o material finalmente falhe. Quando a tensão é mantida por um período de tempo menor, o material sofre uma deformação inicial até o momento t 1 em que a tensão é aliviada, momento em que a deformação diminui imediatamente (descontinuidade) e continua diminuindo gradativamente para uma deformação residual.

Os dados viscoelásticos de fluência podem ser apresentados de duas maneiras. A deformação total pode ser representada graficamente como uma função do tempo para uma determinada temperatura ou temperaturas. Abaixo de um valor crítico de tensão aplicada, um material pode exibir viscoelasticidade linear. Acima desse estresse crítico, a taxa de fluência cresce desproporcionalmente mais rápido. A segunda maneira de apresentar graficamente a fluência viscoelástica em um material é traçar o módulo de fluência (tensão aplicada constante dividida pela deformação total em um determinado momento) como uma função do tempo. Abaixo de sua tensão crítica, o módulo de fluência viscoelástica é independente da tensão aplicada. Uma família de curvas que descreve deformação versus tempo de resposta a várias tensões aplicadas pode ser representada por um único módulo de fluência viscoelástica versus curva de tempo se as tensões aplicadas estiverem abaixo do valor de tensão crítica do material.

Além disso, sabe-se que o peso molecular do polímero de interesse afeta seu comportamento de fluência. O efeito do aumento do peso molecular tende a promover a ligação secundária entre as cadeias de polímero e, assim, tornar o polímero mais resistente à fluência. Da mesma forma, os polímeros aromáticos são ainda mais resistentes à fluência devido à rigidez adicional dos anéis. Tanto o peso molecular quanto os anéis aromáticos aumentam a estabilidade térmica dos polímeros, aumentando a resistência à fluência de um polímero.

Tanto os polímeros quanto os metais podem se arrastar. Os polímeros apresentam fluência significativa em temperaturas acima de cerca de −200 ° C (−330 ° F); no entanto, existem três diferenças principais entre fluência polimérica e metálica.

Os polímeros apresentam fluência basicamente de duas maneiras diferentes. Em cargas de trabalho típicas (5% até 50%), o polietileno de ultra alto peso molecular (Spectra, Dyneema ) mostrará fluência linear no tempo, enquanto o poliéster ou aramidas ( Twaron , Kevlar ) mostrarão uma fluência logarítmica no tempo.

Madeira

A madeira é considerada um material ortotrópico , apresentando diferentes propriedades mecânicas em três direções perpendiculares entre si. Experimentos mostram que a direção tangencial em madeira maciça tende a apresentar uma complacência de fluência ligeiramente maior do que na direção radial. Na direção longitudinal, a complacência à fluência é relativamente baixa e geralmente não apresenta nenhuma dependência do tempo em comparação às outras direções.

Também foi demonstrado que há uma diferença substancial nas propriedades viscoelásticas da madeira dependendo da modalidade de carregamento (fluência na compressão ou tração). Estudos têm mostrado que certas relações de Poisson vão gradualmente de valores positivos para negativos durante a duração do teste de fluência por compressão, o que não ocorre na tensão.

Concreto

A fluência do concreto, que se origina dos hidratos de silicato de cálcio (CSH) na pasta de cimento Portland endurecido (que é o aglutinante dos agregados minerais), é fundamentalmente diferente da fluência de metais e também de polímeros. Ao contrário da fluência de metais, ocorre em todos os níveis de tensão e, dentro da faixa de tensão de serviço, é linearmente dependente da tensão se o teor de água dos poros for constante. Ao contrário da fluência de polímeros e metais, exibe envelhecimento de vários meses, causado pelo endurecimento químico devido à hidratação que enrijece a microestrutura, e envelhecimento de vários anos, causado pelo relaxamento de longo prazo de microestruturas auto-equilibradas na microestrutura nanoporosa do CSH. Se o concreto estiver totalmente seco, ele não se deforma, embora seja difícil secar totalmente o concreto sem fissuras graves.

Formulários

Rasteje na parte de baixo de uma caixa de papelão: uma caixa quase vazia foi colocada em uma caixa menor e mais caixas foram colocadas em cima dela. Devido ao peso, as partes da caixa vazia não sustentadas pelo suporte inferior foram gradualmente desviadas para baixo.

Embora principalmente devido ao limite de escoamento reduzido em temperaturas mais altas, o colapso do World Trade Center foi devido em parte ao aumento da temperatura.

A taxa de fluência de componentes carregados com pressão quente em um reator nuclear em potência pode ser uma restrição de projeto significativa, uma vez que a taxa de fluência é aumentada pelo fluxo de partículas energéticas.

O deslizamento no adesivo de âncora epóxi foi responsabilizado pelo colapso do teto do túnel Big Dig em Boston, Massachusetts , que ocorreu em julho de 2006.

O projeto dos filamentos da lâmpada de tungstênio tenta reduzir a deformação por fluência. A curvatura da bobina do filamento entre seus suportes aumenta com o tempo devido ao peso do próprio filamento. Se ocorrer muita deformação, as espiras adjacentes da bobina se tocam, causando um curto-circuito e superaquecimento local, que rapidamente leva à falha do filamento. A geometria da bobina e os suportes são, portanto, projetados para limitar as tensões causadas pelo peso do filamento, e uma liga especial de tungstênio com pequenas quantidades de oxigênio presas nos limites do grão de cristalito é usada para diminuir a taxa de fluência de Coble .

A deformação pode causar o corte gradual do isolamento do fio, especialmente quando o estresse é concentrado ao pressionar o fio isolado contra uma aresta ou canto afiado. Isolamentos especiais resistentes à fluência, como Kynar ( fluoreto de polivinilideno ), são usados ​​em aplicações de wirewrap para resistir ao corte devido aos cantos agudos dos terminais de wire wrap. O isolamento de Teflon é resistente a temperaturas elevadas e tem outras propriedades desejáveis, mas é notoriamente vulnerável a falhas de corte de fluxo frio causadas por fluência.

Em usinas de turbina a vapor, os tubos transportam vapor em altas temperaturas (566 ° C, 1.051 ° F) e pressões (acima de 24,1 MPa, 3.500 psi). Em motores a jato, as temperaturas podem atingir até 1.400 ° C (2.550 ° F) e iniciar a deformação por fluência, mesmo nas lâminas de turbina revestidas de design avançado. Portanto, é crucial para a funcionalidade correta entender o comportamento de deformação por fluência dos materiais.

A deformação por fluência é importante não apenas em sistemas onde são suportadas altas temperaturas, como usinas nucleares, motores a jato e trocadores de calor, mas também no design de muitos objetos do dia-a-dia. Por exemplo, os clipes de papel de metal são mais fortes do que os de plástico porque os plásticos se arrastam em temperatura ambiente. As janelas de vidro envelhecidas são freqüentemente erroneamente usadas como um exemplo desse fenômeno: a deformação mensurável ocorreria apenas em temperaturas acima da temperatura de transição vítrea em torno de 500 ° C (932 ° F). Embora o vidro exiba deformação sob as condições certas, a flacidez aparente em janelas antigas pode ser uma consequência de processos de fabricação obsoletos, como o usado para criar o vidro da coroa , que resultou em espessura inconsistente.

A geometria fractal, usando uma estrutura de Cantor determinística, é usada para modelar a topografia da superfície, onde avanços recentes no contato de fluência termoviscoelástica de superfícies rugosas são introduzidos. Várias idealizações viscoelásticas são usadas para modelar os materiais de superfície, incluindo os modelos Maxwell, Kelvin-Voigt, sólidos lineares padrão e modelos de Jeffrey.

O Nimonic 75 foi certificado pela União Europeia como um material de referência de fluência padrão.

A prática de estanhar fios trançados para facilitar o processo de conexão do fio a um terminal de parafuso , embora tenha sido prevalente e considerada prática padrão por um bom tempo, tem sido desencorajada por eletricistas profissionais, devido ao fato de que a solda tende a rastejar sob a pressão exercida na extremidade do fio estanhado pelo parafuso do terminal, fazendo com que a junta perca a tensão e, portanto, crie um contato frouxo com o tempo. A prática aceita ao conectar um fio trançado a um terminal de parafuso é usar uma ponteira de fio na extremidade do fio.

Prevenção

Geralmente, os materiais têm melhor resistência à fluência se tiverem temperaturas de fusão mais altas, menor difusividade e maior resistência ao cisalhamento. Estruturas compactadas são geralmente mais resistentes à fluência, pois tendem a ter menor difusividade do que estruturas não compactadas. Os métodos comuns para reduzir a fluência incluem:

  • Fortalecimento da solução sólida : adicionar outros elementos na solução sólida pode retardar a difusão, bem como o movimento de deslocamento lento por meio do mecanismo de arrasto do soluto.
  • Fortalecimento da dispersão de partículas: adicionar partículas, geralmente partículas incoerentes de óxido ou carboneto, bloqueia o movimento de deslocamento.
  • Endurecimento por precipitação: precipitar uma segunda fase fora da rede primária bloqueia o movimento de deslocamento.
  • Tamanho do grão: aumentar o tamanho do grão diminui a quantidade de limites de grão, o que resulta em fluência mais lenta devido à alta taxa de difusão ao longo dos limites de grão. Isso é oposto às aplicações de baixa temperatura, onde o aumento do tamanho do grão diminui a resistência, bloqueando o movimento de deslocamento. Em aplicações de temperatura muito alta, como turbinas de motores a jato, cristais únicos são frequentemente usados.

Superligas

Os materiais que operam em altas temperaturas, como a pá de turbina do motor a jato de superliga de níquel ( RB199 ), devem ser capazes de suportar a deformação presente nessas temperaturas.

Os materiais que operam em sistemas de alto desempenho, como motores a jato, freqüentemente atingem temperaturas extremas que ultrapassam 1.000 ° C (1.830 ° F), necessitando de um projeto de material especializado. Superligas baseadas em cobalto , níquel e ferro foram projetadas para serem altamente resistentes à fluência. O termo 'superliga' geralmente se refere a ligas austeníticas à base de níquel, ferro ou cobalto que usam reforço de precipitação γ ′ ou γ ″ para manter a resistência em alta temperatura.

A fase γ ′ é uma fase de Ni 3 (Al, Ti, Ta, Nb) de estrutura L1 2 cúbica que produz precipitados cuboidais. As superligas geralmente têm uma fração volumétrica alta (60–75%) de precipitados γ ′. Os precipitados γ ′ são coerentes com a fase γ original e são resistentes ao cisalhamento devido ao desenvolvimento de um limite de antifase quando o precipitado é cisalhado. A fase γ ″ é uma estrutura tetragonal de Ni 3 Nb ou Ni 3 V. A fase γ ″, no entanto, é instável acima de 650 ° C (1.202 ° F), então γ ″ é menos comumente usada como uma fase de reforço em aplicações de alta temperatura. Os carbonetos também são usados ​​em superligas policristalinas para inibir o deslizamento dos limites dos grãos .

Muitos outros elementos podem ser adicionados às superligas para ajustar suas propriedades. Eles podem ser usados ​​para fortalecer a solução sólida, para reduzir a formação de precipitados quebradiços indesejáveis ​​e para aumentar a resistência à oxidação ou corrosão. As superligas à base de níquel encontraram amplo uso em aplicações de alta temperatura e baixo estresse. As superligas à base de ferro geralmente não são usadas em altas temperaturas porque a fase γ ′ não é estável na matriz de ferro, mas às vezes são usadas em temperaturas moderadamente altas, pois o ferro é significativamente mais barato do que o níquel. A estrutura γ ′ à base de cobalto foi descoberta em 2006, permitindo o desenvolvimento de superligas à base de cobalto, que são superiores às superligas à base de níquel na resistência à corrosão. No entanto, no sistema de base (cobalto-tungstênio-alumínio), γ ′ só é estável abaixo de 900 ° C (1.650 ° F), e as superligas à base de cobalto tendem a ser mais fracas do que suas contrapartes de Ni.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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