Fadiga em alta temperatura: Tips for Estimating Creep Life (Dicas para estimar a vida útil da fluência).

Na engenharia, muitos componentes estruturais, como turbinas a vapor, caldeiras e tubulações principais de vapor em equipamentos de geração de energia térmica e vasos e tubulações de reação de alta temperatura e alta pressão em sistemas petroquímicos, operam sob condições de alta temperatura por longos períodos de tempo.

Esses componentes não só precisam suportar o estresse normal de trabalho, mas também enfrentam o estresse adicional do estresse cíclico e das rápidas flutuações de temperatura em uma ampla faixa.

Como resultado, sua vida útil é frequentemente afetada pela fadiga por fluência e pela interação entre fluência e fadiga.

A principal causa de falha de equipamentos sob carga cíclica em ambientes de alta temperatura é a interação entre fadiga e fluência. A previsão precisa de sua vida útil é essencial para a seleção, o projeto e a avaliação de segurança adequados dos equipamentos de alta temperatura.

Tanto a comunidade acadêmica quanto a de engenharia têm se preocupado com essa questão há muito tempo, o que resultou em vários modelos de previsão de vida útil propostos por estudiosos.

Nesta publicação, apresentamos uma breve visão geral dos métodos comumente usados para estimar a vida útil dos equipamentos afetados pela interação entre fadiga e fluência.

Método da fração de tempo de vida

O Método de Dano Cumulativo Linear, também conhecido como Método de Fração de Tempo de Vida, é amplamente utilizado para estimar a vida útil de equipamentos afetados pela interação entre fadiga e fluência.

Esse método pressupõe que o dano causado pela interação da fadiga e da fluência é o resultado do acúmulo linear do dano por fadiga e do dano por fluência, conforme expresso na equação a seguir:

Na fórmula acima, N_f representa a vida em fadiga, n_i representa o número de ciclos de fadiga, tr é o tempo de falha de fluência e t é o tempo de retenção de fluência.

O método de fração de tempo de vida simplesmente adiciona o dano por fadiga calculado e o dano por fluência para chegar ao dano total. Embora o cálculo seja simples, ele requer a obtenção de dados de teste para fluência pura e fadiga pura sob as condições de temperatura relevantes.

No entanto, esse método tem limitações, pois não leva em conta a interação entre fadiga e fluência. Como resultado, seus resultados de cálculo e sua precisão são limitados. Para resolver essas deficiências e aumentar a precisão, os pesquisadores propuseram várias formas aprimoradas desse método.

Por exemplo, a fórmula de correção de Xie é a seguinte:

A emenda proposta por Lagneborg é a seguinte:

A fórmula apresentada acima inclui o índice de dano por fluência de interação (n), o índice de dano por fadiga de interação (1/N) e os coeficientes de interação (a e B).

O termo de interação é adicionado às expressões modificadas, permitindo que sejam feitos ajustes no erro entre os resultados da previsão do método de dano cumulativo e os resultados experimentais. Isso resulta em uma melhoria significativa na confiabilidade dos resultados da previsão.

Método de correção de frequência (método FM) e método de separação de frequência (método FS)

Atualmente, a maioria dos métodos de estimativa de vida útil de fadiga por fluência usados em engenharia baseia-se no modo de controle de tensão. Um desses métodos é o Método de Correção de Frequência, proposto por Coffin.

Acredita-se que a principal causa de danos na fadiga de baixo ciclo seja a deformação plástica.

Com base nisso, Eckel propôs a seguinte fórmula:

Onde: t_f é o tempo de falha, K é a constante do material dependente da temperatura, ϑ é a frequência, ∆ε_p é a faixa de deformação plástica.

Ao incorporar a fórmula acima à fórmula de Manson Coffin, uma expressão que leva em conta a correção de frequência pode ser derivada da seguinte forma:

O Método de Separação de Frequência é outro aprimoramento do Método de Correção de Frequência. Esse método pressupõe que a causa do dano por fadiga é a deformação inelástica e leva em conta o efeito do tempo de retenção na vida útil sob altas temperaturas.

Ele apresenta os conceitos de frequência de retenção de tração e frequência de retenção de compressão e expressa a vida útil da fadiga como uma função exponencial da deformação inelástica e da frequência de retenção. Essa abordagem destaca o impacto da frequência de carga sobre a vida útil da fadiga de forma mais eficaz.

Como segue:

Em que, ϑ_C é a frequência da portadora de compressão, ϑ_t é a frequência de retenção da carga de tração, ∆ε_em é a deformação inelástica.

Tanto o Método de Correção de Frequência quanto o Método de Separação de Frequência são baseados em um modelo de estimativa de vida por fadiga, mas incorporam efetivamente a frequência de carregamento para levar em conta a fluência no modelo de estimativa de vida por fadiga. Isso torna os novos modelos adequados para estimar a vida útil da interação entre fadiga e fluência.

Divisão da faixa de deformação (SRP) e divisão da energia de deformação (SEP)

O método de divisão da faixa de deformação foi proposto por Manson e baseia-se na ideia de que, mesmo que a quantidade de deformação seja a mesma, o dano causado por deformações dependentes e independentes do tempo não é igual.

Levando em conta a interação entre fluência e fadiga, a faixa de deformação inelástica em um ciclo de tensão-deformação é dividida em dois componentes: faixa de deformação mecânica pura e faixa de deformação dependente do tempo. O dano causado por cada componente é então determinado com base em suas qualidades exclusivas, e o dano total é calculado pela soma dos danos de cada componente.

Que tem a seguinte expressão, Cij, β_ij é a constante do material.

O método de divisão da faixa de deformação é amplamente utilizado em campo, mas requer diferentes tipos de dados de testes cíclicos para ser eficaz. O método de divisão da energia de deformação é construído sobre a base do método de divisão da faixa de deformação e estabelece uma relação entre a energia de deformação de cada deformação e a vida útil do material.

Onde, C_ij ,β_ij é a constante do material determinada pelo teste;

∆U_ij é a energia de deformação;

α_ij é a energia de deformação de tração e a área retangular σ_máximo∆ε_P.

De acordo com o método de dano cumulativo linear, a seguinte fórmula de estimativa de vida é obtida, e F_ij é o coeficiente de peso.

Dong Zhaoqin e he Jinrui usaram o método de separação de frequência para modificar a relação entre a energia de deformação e a vida útil, chamado de método SEFS, e obtiveram a seguinte expressão, em que C, β, m, K é uma constante.

O método de divisão da faixa de deformação e o método de divisão da energia de deformação precisam de um grande número de dados de teste confiáveis como base, e muitos parâmetros de material e variáveis mecânicas precisam ser considerados.

Portanto, é um trabalho de longo prazo usar esse método para estimar a vida útil.

Método de intervalo de relaxamento de estresse

No modo de controle de tensão, a interação da fluência e da fadiga durante um longo período de tempo resulta no aumento do relaxamento da tensão. O relaxamento da tensão e o efeito da fluência são os principais fatores que contribuem para a redução da vida útil da fadiga por fluência em períodos prolongados.

Com isso em mente, Nam Soo Woo e seus colegas introduziram o conceito de faixa de relaxamento de tensão em seu modelo de previsão de vida por fadiga por fluência.

O método de previsão de vida normalizada é derivado com base na relação entre a vida e o tempo de retenção, e a relação entre o tempo de retenção e a faixa de relaxamento de tensão, como segue:

Entre eles, Φ, f é a constante do material.

A faixa de relaxamento de tensão, sendo uma função de fatores como tempo de retenção, tensão inicial, nível de deformação, temperatura e outros, permite que a fórmula acima preveja a vida útil sob diferentes tempos de retenção, formas de onda e faixas de deformação. A curva de Coffin-Manson obtida sob diferentes condições pode ser normalizada para produzir uma curva primária.

A abordagem da faixa de relaxamento de tensão é adequada para prever a vida útil da interação entre fadiga e fluência no modo de controle de tensão.

Método de perda de ductilidade

O método para estimar a vida útil de fadiga por fluência de materiais dúcteis baseia-se na teoria do esgotamento dúctil.

De acordo com essa teoria, a fadiga e a fluência causam danos aos componentes por meio do fluxo viscoso. A fadiga leva à redução da ductilidade intracristalina, enquanto a fluência contribui para a redução da ductilidade dos limites dos grãos. Esses dois processos se acumulam e se agravam com o tempo até atingirem um valor crítico, levando à falha do material.

Goswami realizou uma extensa pesquisa sobre a interação entre fadiga e fluência no aço Cr Mo e propôs um novo modelo para prever a vida útil de materiais dúcteis sob essas condições.

Onde Δσ é a faixa de tensão, Δε_P é o intervalo de deformação plástica, Δεt é o intervalo de deformação total, ε é a taxa de deformação, Δσ_s é a tensão saturada na meia-vida, e K, A, m e n são constantes do material.

Esse modelo baseia-se nos conceitos de modo de controle de deformação, taxa de deformação e fluxo viscoso, e é adequado para prever a vida útil do aço Cr Mo sob os efeitos combinados de fadiga e fluência sob controle de deformação e dominância de deformação plástica.

Além do modelo de esgotamento da ductilidade, há dois outros métodos para estimar a vida útil da fluência por fadiga: o método de estimativa da vida útil da fluência por fadiga baseado no modo de controle de tensão e o modelo de estimativa da taxa média de deformação.

O modelo de esgotamento da ductilidade, por outro lado, é mais apropriado para o modo de controle de tensão e pode refletir de forma abrangente o impacto de fatores como taxa de tensão, taxa de carregamento, tempo de retenção, taxa média de deformação e outros sobre a vida útil do componente, resultando em alta precisão de previsão.

Método de previsão de vida metalográfica

Nam Soo Woo e sua equipe introduziram um novo parâmetro de dano que se baseia na nucleação e no crescimento de furos de fluência em aço inoxidável austenítico.

Foi comprovado que esse parâmetro de dano descreve com eficácia o dano de materiais que apresentam furos de fluência nos limites dos grãos.

Para implementar esse método, é necessário ter informações de nível micro, como a área dos poros, a espessura do contorno do grão, a difusividade do contorno do grão e o volume atômico da fluência.

Método de previsão de mecânica de danos para vida útil de fadiga por fluência

A ideia da mecânica de danos foi introduzida pela primeira vez por Kachanov e, posteriormente, desenvolvida por Lemaitre e colegas, que a aplicaram para prever a vida útil da fadiga e o comportamento de fluência dos materiais.

A teoria clássica de danos afirma que a variável de danos D representa a redução na área de suporte efetiva de um material devido à formação e ao crescimento de microfissuras e microvazios. À medida que essas microfissuras e vazios se expandem, a área da seção transversal do corpo de prova diminui, levando a uma diminuição da área efetiva de suporte (a *) e a um aumento da tensão.

Com base na definição de mecânica de danos, pode-se concluir que o dano total pode ser expresso como a soma dos incrementos de dano por fadiga e dano por fluência.

A expressão do incremento de dano por fadiga e do incremento de dano por fluência é baseada no modelo Lemaitre. A forma específica do incremento de dano da interação entre fadiga e fluência é a seguinte:

A fórmula acima demonstra que o acúmulo de danos descrito pelo modelo de mecânica de danos é não linear e leva em conta a interação entre fadiga e fluência.

Além do modelo de dano de Lemaitre, Shang e seus colegas desenvolveram um modelo de acúmulo de dano por fadiga uniaxial não linear com base na teoria de dano por fadiga contínua de Chaboche. Esse modelo leva em conta a interdependência do limite de fadiga, a tensão média, a variável de dano e os parâmetros de carga, bem como o impacto da sequência de carga.

Jing e seus colegas apresentaram um modelo não linear de mecânica de danos contínuos para a vida útil de fadiga por fluência de rotores de turbinas a vapor. Esse modelo considera a influência do estresse multiaxial complexo e a interação entre fadiga e fluência, além de incluir a evolução não linear dos danos.

Método de previsão de mecânica de fratura

Mecânica de fraturas é dividido em dois estágios de previsão de vida útil: formação e propagação de trincas.

Desde a década de 1970, muitos estudiosos propuseram o uso da integral C* para descrever o campo de tensão local e o campo de taxa de deformação no ápice da trinca de um objeto sob condições de fluência em um determinado momento.

A integral C* também é chamada de parâmetro de fratura por fluência, o que torna a medição e o cálculo da integral C* uma direção de pesquisa crucial no método de estimativa da vida útil da fluência por fadiga.

Chapuliot, Curtit et al. apresentaram um método experimental para determinar o parâmetro C* de uma rachadura superficial em uma placa sujeita a um momento de flexão e derivaram a fórmula de cálculo para C*.

Fookes e Smith demonstraram experimentalmente que a taxa de deslocamento total pode ser usada para determinar os parâmetros.

Yatomi et al. propuseram determinar os parâmetros por meio do uso da taxa de deslocamento da linha de carga de fluência calculada numericamente.

Um novo método de previsão baseado em estatísticas multivariadas

Goswami é um representante dos métodos estatísticos multivariados e propôs uma fórmula geral para prever a vida útil de fadiga por fluência de materiais de alta temperatura com base em dados experimentais abrangentes.

Ele também forneceu as fórmulas básicas para a previsão da vida útil de fadiga por fluência do aço Cr Mo, do aço inoxidável e do aço inoxidável. liga de aço contendo estanho, titânio e outros materiais.

Um novo método de previsão baseado em rede neural

Uma rede neural (ANN) é uma ferramenta de análise não linear sofisticada que foi desenvolvida nos últimos anos. Ela é capaz de abordar qualquer relação não linear complexa de forma eficaz.

Uma das vantagens mais significativas das redes neurais é sua capacidade de encontrar soluções em sistemas incertos e relações variáveis.

Atualmente, muitos pesquisadores têm aplicado técnicas de redes neurais para prever a vida útil de fadiga por fluência dos materiais.

Por exemplo, Venkatech et al. propuseram um método de rede neural de retropropagação para prever a vida útil de fadiga por fluência de materiais em um ponto de fusão de (0,7 a 0,8).

Da mesma forma, Srinivasan et al. utilizaram técnicas de redes neurais para prever a vida útil do aço inoxidável 316L (N) sob interação entre fadiga e fluência.

Em 2013, Wang et al. propuseram a criação de um novo tipo de rede adaptativa para a previsão da vida útil da fratura por fluência. Essa rede tem um sistema de estrutura de quatro camadas e pode prever com precisão a vida útil da fratura por fluência do aço ferrítico cromado 9-12%.

Os resultados indicam que esse método é mais preciso do que o método de parâmetro de Larsen Miller e mais eficaz do que a rede neural de retropropagação.

Modelo de previsão baseado em conservação de energia e conservação de momento

Muitos modelos existentes para prever a vida útil da interação entre fadiga e fluência exigem uma grande quantidade de dados de testes diversos. Além disso, os modelos que se baseiam no controle de deformação geralmente são difíceis de aplicar e não podem ser usados para controle de tensão.

Jiang et al. desenvolveram um novo modelo de previsão de vida de interação de fadiga e fluência com base nos princípios de conservação de energia e momento, que refletem o movimento do sistema. O objetivo desse novo modelo é ter uma base teórica mais sólida e uma expressão mais direta, e ele pode ser usado para a interação de fluência por fadiga sob controle de tensão.

A expressão é:

A fórmula usada para prever a vida útil da interação entre fadiga e fluência tem um significado físico claro e é aplicável tanto aos modos controlados por tensão quanto aos controlados por deformação. Os parâmetros de teste necessários podem ser obtidos facilmente e o número é limitado.

Para verificar a precisão do modelo, Jiang et al. realizaram testes de carga de onda trapezoidal controlada por tensão em amostras lisas feitas de aço 1,25Cr0,5Mo a temperaturas de 540°C e 520°C. Eles usaram o modelo para prever a vida útil da interação entre fadiga e fluência nesses dois ambientes de temperatura.

Os resultados previstos apresentaram boa concordância com os resultados reais.

Modelo de interferência de resistência à condição de serviço (SCRI)

Zhao propôs um modelo de interferência de propriedade de fluência de condição de serviço (modelo SCRI) para prever a confiabilidade da vida útil de resistência de materiais de alta temperatura. O modelo é baseado no método do parâmetro Z.

Ao usar o método do parâmetro Z, a dispersão da resistência de materiais de alta temperatura segue uma distribuição normal. O método Monte Carlo pode ser usado para simular a dispersão das condições de serviço causadas por flutuações na temperatura e na tensão de serviço, permitindo uma análise de confiabilidade da vida útil de resistência dos materiais que leva em conta a dispersão dos dados de desempenho e as flutuações das condições de serviço.

Modelo de extrapolação de dados de fratura por fluência com base no processo dinâmico

Liu, H et al. propuseram um modelo para extrapolar dados de fratura por fluência com base no processo dinâmico. O modelo descreve a relação entre a tensão e o tempo de fratura.

O modelo tem um número limitado de parâmetros de expressão, o que torna o processo de cálculo relativamente simples. Os resultados calculados estão em estreita concordância com os resultados experimentais.

A expressão é:

No modelo, são usadas a constante de Larsen Miller (C), a energia de ativação do processo de fluência (Q) e a constante de Boltzmann (R).

O modelo melhora a precisão da previsão da vida útil da fluência a longo prazo.

A comparação dos dados de teste do aço 2.25Cr1.0Mo e do composto de metal Ti Al mostrou que esse método de avaliação é mais preciso do que o método tradicional Larsen Miller Parameter (LMP).

Conclusão

Este documento apresenta um resumo dos resultados de pesquisas sobre métodos para estimar a vida útil de fadiga por fluência nas últimas décadas.

A fórmula de correção de danos cumulativos lineares leva em conta a interação entre fadiga e fluência, aumentando, assim, a precisão do cálculo.

Os métodos de previsão de vida útil baseados na mecânica de danos e na mecânica de fraturas têm uma base teórica bem estabelecida e podem abordar com eficácia os problemas de previsão de vida útil de componentes complexos ou defeituosos.

O método de correção de frequência, o método de separação de frequência e o método de divisão de faixa de deformação fornecem resultados de previsão ideais, enquanto o método de divisão de energia de deformação e o método de correção de frequência de energia de deformação produzem resultados ruins.

Os métodos estatísticos multivariados e de rede neural são abordagens novas para estimar a vida útil da fadiga por fluência.

Em particular, o método estatístico multivariado pode prever diretamente a vida útil de três tipos de materiais usando uma fórmula básica de cálculo, enquanto o método de rede neural é usado para resolver problemas complexos ou desconhecidos de previsão de vida útil.