Imagine o motor do seu carro falhando no meio de um deserto escaldante porque os materiais não conseguiram suportar o calor. Esse cenário ressalta a importância vital de entender como as altas temperaturas afetam as propriedades mecânicas dos materiais. Neste artigo, exploraremos como a exposição prolongada a altas temperaturas afeta as estruturas metálicas, causando fenômenos como difusão e recristalização, e o que os engenheiros podem fazer para atenuar esses efeitos. Mergulhe de cabeça para saber como a temperatura e o tempo moldam o desempenho do material, garantindo a segurança e a confiabilidade em ambientes de alta temperatura.
As estruturas de metais e ligas mudam devido a fenômenos como difusão, recuperação, recristalização e outros em altas temperaturas.
Além disso, a exposição prolongada a altas temperaturas pode prejudicar o desempenho do materiais metálicos.
Em equipamentos como caldeiras a vapor de alta pressão, turbinas a vapor, motores a diesel, motores aeronáuticos, equipamentos químicos e tubulações de alta temperatura e alta pressão, muitas peças estão em serviço sob altas temperaturas por longos períodos.
Não é suficiente considerar apenas as propriedades mecânicas desses materiais sob temperatura normal e carga estática de curto prazo. Por exemplo, os tubos de alta temperatura e alta pressão em equipamentos químicos, embora a tensão que eles suportam seja menor do que a limite de elasticidade dos materiais em sua temperatura de trabalho, sofrerão deformação plástica contínua ao longo do tempo, o que aumenta gradualmente o diâmetro do tubo e pode até levar à ruptura do tubo.
A classificação de temperatura "alta" ou "baixa" é relativa ao ponto de fusão do metal. A relação entre a temperatura e o ponto de fusão (T/Tm) é frequentemente usada como referência, em que Tm se refere ao ponto de fusão do material. Se T/Tm for maior que 0,4 a 0,5, é considerada alta temperatura.
A temperatura de uma aeronave civil é de aproximadamente 1.500°C, enquanto a de uma aeronave militar é de cerca de 2.000°C. A temperatura de trabalho local da espaçonave pode chegar a 2500°C.
A temperatura tem um impacto significativo sobre as propriedades mecânicas dos materiais. A duração da carga em altas temperaturas também tem grande influência sobre essas propriedades. É importante observar que as propriedades mecânicas em alta temperatura não são as mesmas que as propriedades mecânicas em temperatura ambiente.
Como tendência geral, à medida que a temperatura aumenta, a resistência dos materiais metálicos diminui, enquanto sua plasticidade aumenta. A duração da carga também afeta as propriedades mecânicas. Sob cargas de curto prazo, a resistência à tração diminui e a plasticidade aumenta, mas, sob cargas de longo prazo, a plasticidade diminui significativamente, a sensibilidade ao entalhe aumenta e, com frequência, ocorre fratura frágil.
O efeito combinado da temperatura e do tempo também influencia o caminho da fratura do material. Por exemplo, a fluência pode ocorrer durante o uso prolongado, levando à fratura. A resistência à tração do aço em alta temperatura diminui com o prolongamento da duração da carga.
Com o aumento da temperatura, tanto a resistência do grão quanto a resistência do contorno do grão diminuem. No entanto, a resistência do contorno do grão diminui mais rapidamente devido ao arranjo irregular dos átomos no contorno do grão, facilitando a ocorrência de difusão.
A temperatura na qual a resistência do grão e a resistência do limite do grão são iguais é conhecida como "temperatura de resistência igual" (TE). Quando o material opera acima da TE, o modo de fratura do material muda da típica fratura transgranular para a fratura intergranular.
É importante observar que o TE não é fixo e é influenciado pela taxa de deformação. Como a resistência do limite do grão é mais sensível à taxa de deformação do que a resistência do grão, o TE aumenta com o aumento da taxa de deformação.
Concluindo, para estudar as propriedades mecânicas dos materiais em altas temperaturas, tanto a temperatura quanto o tempo devem ser considerados como fatores.
A fluência é a deformação plástica gradual do metal que ocorre sob temperatura e carga constantes, mesmo que a tensão seja menor do que a força de escoamento nessa temperatura, durante um longo período de tempo. Esse tipo de fratura de material causada pela deformação por fluência é chamado de fratura por fluência.
Embora a fluência possa ocorrer em baixas temperaturas, ela só é significativa quando a temperatura é maior que aproximadamente 0,3. Se a temperatura do aço-carbono exceder 300°C ou a do liga de aço exceda 400°C, o efeito da fluência deve ser levado em conta.
É importante observar que a curva de fluência do mesmo material varia de acordo com a tensão e a temperatura.
Curva de fluência típica
O primeiro estágio, rotulado como "ab", é conhecido como estágio de fluência de desaceleração ou estágio de fluência de transição. A taxa de fluência no início desse estágio é muito alta e diminui gradualmente com o tempo até atingir o mínimo no ponto "b".
O segundo estágio, rotulado como "bc", é chamado de estágio de fluência de velocidade constante ou estágio de fluência de estado estável. Esse estágio é caracterizado por uma taxa de fluência relativamente constante. A taxa de fluência de um metal é normalmente expressa pela taxa de fluência ε durante esse estágio.
O terceiro estágio é o Estágio de Fluência Acelerada. À medida que o tempo avança, a taxa de deformação aumenta gradualmente até que ocorra a fratura por deformação no ponto "d".
Diagrama de alteração da curva de deformação com diferentes tensões e temperaturas
Conforme ilustrado na figura, quando a tensão é baixa ou a temperatura é baixa, o segundo estágio de fluência dura um tempo considerável e, em alguns casos, o terceiro estágio pode nem ocorrer. Por outro lado, quando a tensão é alta ou a temperatura é alta, o segundo estágio de fluência é muito breve ou pode nem ocorrer, resultando na quebra do corpo de prova em um tempo muito curto.
Características macro da superfície da fratura
A deformação plástica ocorre perto da superfície da fratura e há várias rachaduras nas proximidades da área deformada (essas rachaduras podem ser vistas na superfície da peça fraturada). Em casos de oxidação em alta temperatura, a superfície da fratura é revestida com uma camada de filme de óxido.
Microcaracterísticas da superfície da fratura
Morfologia de fratura intergranular de padrões semelhantes a açúcar cristalino
O limite de fluência, a resistência à ruptura, a estabilidade de relaxamento e outras propriedades mecânicas são comumente usados para avaliar o comportamento de fluência dos materiais.
O limite de fluência é uma medida da resistência de um material metálico à deformação plástica sob carga de longo prazo em altas temperaturas e é um fator crucial para a seleção e o projeto de componentes de serviço em alta temperatura.
Há duas maneiras de expressar o limite de fluência em MPa: uma é determinar a tensão máxima que o corpo de prova pode suportar a uma taxa de fluência constante especificada dentro de um tempo e uma temperatura especificados; a outra é determinar a tensão máxima que faz com que o corpo de prova sofra um alongamento de fluência especificado dentro de um tempo e uma temperatura especificados.
O exemplo 1 mostra que o limite de deformação do material é de 80 MPa quando a temperatura é de 500 ℃ e a taxa de deformação constante é de 1×10-5%/h;
O exemplo 2 mostra que o limite de fluência do material é de 100 MPa quando a temperatura é de 500 ℃, 100.000 horas, e o alongamento de fluência é de 1%.
Equipamento de teste de deformação e diagrama esquemático
O teste de fluência deve ser realizado sob condições consistentes de temperatura e uma variedade de níveis de tensão, com um mínimo de 4 curvas de fluência registradas.
As curvas de fluência devem ser criadas com base nos resultados registrados, com a inclinação da linha reta na curva representando a taxa de fluência.
A curva de relação é plotada em coordenadas logarítmicas usando os dados obtidos da taxa de deformação por tensão.
Ao aplicar níveis de tensão relativamente altos, várias curvas de fluência podem ser geradas com tempos de teste relativamente curtos. O valor da tensão para uma taxa de fluência especificada pode ser determinado por meio de interpolação ou extrapolação da taxa de fluência medida, permitindo a determinação do limite de fluência.
Em uma temperatura constante, há uma relação empírica linear entre a tensão de fluência do segundo estágio (σ) e a taxa de fluência estável (ε) em coordenadas logarítmicas duplas.
Curva σ- ε da liga S-590
(20,0%Cr, 19,4 %Ni, 19,3%Co, 4,0%W, 4,0%Nb, 3,8%Mo, 1,35%Mn, 0,43%C)
A resistência durável refere-se à capacidade de um material de resistir à fratura por um longo período de tempo sob cargas de alta temperatura. É a tensão máxima que um material pode suportar sem sofrer fratura por fluência sob condições específicas de temperatura e tempo. A resistência durável é uma medida da resistência à fratura de um material, enquanto o limite de fluência refere-se à sua resistência à deformação.
Para alguns materiais e componentes, a deformação por fluência é mínima e seu único requisito é não quebrar durante sua vida útil (como o tubo de vapor superaquecido em uma caldeira). Nesses casos, a resistência é o principal critério usado para avaliar a adequação do material ou componente para uso.
Curva de resistência à ruptura por tensão da liga S-590
A resistência dos materiais metálicos é determinada pelo teste de resistência à tração em alta temperatura.
Durante o processo de teste, não é necessário medir o alongamento da amostra, desde que seja registrado o tempo que ela leva para fraturar sob uma temperatura e um nível de tensão especificados.
Para componentes de máquinas com longa vida útil (dezenas de milhares a centenas de milhares de horas ou mais), é um desafio realizar testes de longo prazo, portanto, os dados são normalmente gerados usando altos níveis de tensão e tempos de fratura curtos. A resistência dos materiais é então calculada por meio de extrapolação.
Extrapolar a fórmula empírica:
(t-tempo de fratura, σ-tensão, A, B-constantes relacionadas à temperatura do teste e ao material)
Use o logaritmo da fórmula acima para obter:
Faça o log t-log σ Fig., a relação linear pode ser extrapolada dos dados com tempo de fratura curto para a resistência duradoura com tempo longo.
Quando submetida a uma deformação constante, a tensão elástica dos materiais diminui gradualmente com o tempo, o que é conhecido como relaxamento de tensão.
A resistência dos materiais metálicos ao relaxamento de tensão é chamada de estabilidade de relaxamento, que pode ser determinada por meio de testes de relaxamento de tensão, medindo a curva de relaxamento de tensão.
Estresse residual é uma métrica usada para avaliar a estabilidade de relaxamento de materiais metálicos. Quanto maior o tensão residualquanto melhor for a temperatura de relaxamento.
Curva de relaxamento de tensão
Estágio 1: o estresse cai rapidamente no início;
Estágio 2: o estágio em que a queda do estresse diminui gradualmente;
Limite de relaxamento: sob determinada tensão e temperatura iniciais, a tensão residual não continuará a relaxar.
Para aumentar o limite de fluência, é importante controlar a taxa de escalada de deslocamento com base na deformação por fluência e no mecanismo de fratura.
Para melhorar a resistência à ruptura, é necessário controlar o deslizamento do limite do grão e a difusão de vazios.
Vários fatores podem afetar as propriedades mecânicas em alta temperatura, incluindo a composição química, o processo de fundição, o processo de tratamento térmico e o tamanho do grão.
Influência da composição química da liga
Os materiais de base para aços e ligas resistentes ao calor geralmente consistem em metais e ligas com altos pontos de fusão, alta energia de ativação de autodifusão ou baixa energia de falha de empilhamento.
Os metais com pontos de fusão mais altos, como o cromo (Cr), o tungstênio (W), o molibdênio (Mo) e o nióbio (Nb), têm taxas de autodifusão mais lentas.
A baixa energia de falha de empilhamento facilita a formação de deslocamentos estendidos e dificulta o deslizamento cruzado e a escalada dos deslocamentos.
A fase dispersa pode bloquear efetivamente o deslizamento e a escalada de deslocamentos.
A adição de elementos como boro e terras raras, que aumentam a energia de ativação da difusão do contorno de grão, não apenas impede o deslizamento do contorno de grão, mas também aumenta a energia da superfície das trincas do contorno de grão.
Os materiais resistentes ao calor com estruturas cúbicas centradas na face têm maior resistência a altas temperaturas em comparação com aqueles com estruturas cúbicas centradas no corpo.
Influência do processo de fundição
Revisado:
É importante reduzir o conteúdo de inclusões e defeitos metalúrgicos.
Ao usar a solidificação direcional, o número de limites de grãos transversais é reduzido, o que leva a uma melhoria na resistência à ruptura, já que as rachaduras têm maior probabilidade de se formar nos limites de grãos transversais.
Influência do processo de tratamento térmico
O aço perlítico resistente ao calor normalmente passa por uma processo de normalização seguido de têmpera em alta temperatura.
A temperatura de revenimento deve ser de 100 a 150 graus Celsius mais alta do que a temperatura de serviço para aumentar a estabilidade estrutural sob condições operacionais.
O aço ou as ligas austeníticas resistentes ao calor são normalmente tratados por meio de solução e envelhecimento para atingir o tamanho de grão adequado e melhorar a distribuição das fases de reforço.
Termomecânica O tratamento pode aumentar ainda mais a resistência da liga alterando a forma dos limites de grão (formando serrilhas) e criando limites de subgrão poligonais dentro do grão.
Efeito do tamanho do grão
Tamanho do grão: Quando a temperatura de operação está abaixo da temperatura de resistência constante, o aço de grão fino apresenta maior resistência, enquanto que, quando a temperatura de operação excede a temperatura de resistência constante, o aço de grão grosso apresenta maior resistência à fluência e resistência à resistência.
Tamanho de grão irregular: Quando a tensão se concentra na junção entre grãos grandes e pequenos, é mais provável que se formem rachaduras, resultando em fratura prematura.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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