Como a temperatura influencia o desempenho do material: Uma análise abrangente

Há dois tipos de coeficientes de material relacionados à temperatura: um está relacionado às propriedades mecânicas do material e o outro está associado à condução de calor. O primeiro inclui fatores como E, G, v, a, enquanto o segundo consiste em C (capacidade térmica específica), ρ (densidade) e k (condutividade térmica).

Esses coeficientes não são constantes, mas variam com a temperatura. Entretanto, quando a temperatura não é alta, seus valores médios são geralmente tratados como constantes. Em situações de alta temperatura ou variação significativa, é essencial considerar suas alterações com a temperatura.

1. Relação entre coeficientes elásticos e temperatura

O módulo de elasticidade E e o módulo de cisalhamento G dos metais diminuem com o aumento da temperatura, enquanto o coeficiente de Poisson v muda pouco com a temperatura. As medições de E e G com a temperatura podem ser feitas de forma estática ou dinâmica.

O método estático envolve testes em um forno de alta temperatura usando carga, enquanto o método dinâmico utiliza técnicas de vibração ou de pulso ultrassônico.

O método vibracional permite que a amostra de teste sofra vibração elástica no forno de alta temperatura, com as constantes elásticas determinadas pela medição da frequência.

O método ultrassônico envolve a aplicação de ondas ultrassônicas à amostra de teste, e E, G e v são determinados pela medição da velocidade de propagação das ondas.

2. Relação entre coeficiente de calor e temperatura

O coeficiente de calor de materiais metálicos geralmente apresenta uma relação linear com a temperatura. O coeficiente de expansão linear α tende a aumentar linearmente com o aumento da temperatura, enquanto a condutividade térmica k diminui com o aumento da temperatura e a capacidade térmica específica aumenta com a temperatura.

A inclinação da linha ou a curvatura da curva que representa a relação entre o coeficiente de calor e a temperatura, conforme medido por testes experimentais, revela como o coeficiente de calor do material específico muda com a temperatura.

Por exemplo, a variação do coeficiente de calor do aço-carbono com a temperatura está representada no gráfico a seguir, conforme derivado de várias fontes de dados.

3. Fadiga térmica de materiais

Com o aumento da temperatura dos materiais dúcteis, eles não falharão imediatamente, mesmo que a tensão a que estão sujeitos exceda o ponto de escoamento. No entanto, mesmo que o nível de tensão seja baixo, se mudanças consideráveis de temperatura forem repetidas, eles acabarão falhando devido à fadiga, resultando em rachaduras. Esse fenômeno é conhecido como fadiga térmica.

Considere uma haste de teste fixada em ambas as extremidades, submetida a ciclos de calor repetidos entre as temperaturas mais alta e mais baixa, conforme ilustrado no diagrama a seguir.

Suponha que, no início do experimento, a haste seja fixada na temperatura mais alta e, em seguida, resfriada para gerar tensão de tração, OAF representa uma linha de mudança de tensão. Se for reaquecida, a curva de tensão-deformação inicialmente se move paralelamente a OA para baixo, cedendo a uma tensão menor do que a força de tração do ciclo de resfriamento, chegando finalmente ao ponto E.

Se for mantida na temperatura mais alta por algum tempo, ocorrerá o relaxamento da tensão, resultando em uma diminuição da tensão de compressão, atingindo o ponto E'. Se o resfriamento for retomado, ela aumentará ao longo de E'F', atingindo o ponto F' na temperatura mais baixa.

Como não ocorre relaxamento da pressão na temperatura mais baixa, se o reaquecimento for iniciado, a curva cai ao longo de F'E", atingindo o ponto E" na temperatura mais alta. Devido ao relaxamento da tensão, a tensão é reduzida e se move para o ponto E"'; se o resfriamento for retomado, ela segue a curva E"'F", atingindo o ponto F" na temperatura mais baixa.

Se esse ciclo de resfriamento e aquecimento for repetido, a curva de tensão-deformação traçará um loop de histerese a cada vez, e a deformação plástica de recuperação associada é a causa da fadiga térmica. As temperaturas máxima e mínima do ciclo térmico, a temperatura média, o tempo de retenção na temperatura máxima, a velocidade de repetição e as propriedades elástico-plásticas do material são fatores que afetam a fadiga térmica.

A intensidade da fadiga térmica refere-se à relação entre a deformação plástica de um ciclo ε_P e o número de repetições N para atingir a falha. De acordo com a fórmula empírica de Manson-Coffin:

Nesse caso, ε_f denota o alongamento no ponto de ruptura do material durante um teste de tração estático na temperatura média de um ciclo térmico.

A descrição acima se refere apenas à fadiga por estresse térmico unidirecional de um material. Entretanto, a fadiga térmica em estruturas reais é multidirecional e constitui um campo de estudo especializado.