1. Visão Geral
As estruturas dos 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 dos materiais metálicos.
Em equipamentos como caldeiras a vapor de alta pressão, turbinas a vapor, motores diesel, aeromotores, equipamentos químicos e tubulações de alta temperatura e alta pressão, muitas peças ficam em serviço sob altas temperaturas por longos períodos.
Não é suficiente considerar apenas as propriedades mecânicas de tais materiais sob temperatura normal e carga estática de curto prazo. Por exemplo, tubos de alta temperatura e alta pressão em equipamentos químicos, embora a tensão que suportam seja inferior à resistência ao escoamento dos materiais à sua temperatura de trabalho, sofrerão deformação plástica contínua ao longo do tempo, o que aumenta gradualmente o diâmetro do tubo e pode até levar a ruptura da tubulação.
A classificação de temperatura “alta” ou “baixa” é relativa ao ponto de fusão do metal. A relação entre temperatura e ponto de fusão (T/Tm) é frequentemente usada como referência, onde 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 local de trabalho da espaçonave pode até chegar a 2.500°C.
2. Fatores de influência
A temperatura tem um impacto significativo nas propriedades mecânicas dos materiais. A duração do carregamento a altas temperaturas também tem uma grande influência nestas propriedades. É importante notar que as propriedades mecânicas de alta temperatura não são iguais às propriedades mecânicas de temperatura ambiente.
Como tendência geral, à medida que a temperatura aumenta, a resistência dos materiais metálicos diminui enquanto a 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 do entalhe aumenta e ocorre frequentemente fratura frágil.
O efeito combinado da temperatura e do tempo também influencia o caminho de fratura do material. Por exemplo, a fluência pode ocorrer durante o uso a longo prazo, eventualmente levando à fratura. A resistência à tração do aço em altas temperaturas diminui com o prolongamento da duração da carga.
À medida que a temperatura aumenta, tanto a resistência do grão quanto a resistência do contorno do grão diminuem. No entanto, a resistência do contorno de grão diminui mais rapidamente devido ao arranjo irregular dos átomos no contorno de grão, facilitando a ocorrência da 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 do TE, o modo de fratura do material muda da fratura transgranular típica para a fratura intergranular.
É importante notar que o TE não é fixo e é influenciado pela taxa de deformação. Como a resistência do contorno 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.
3. Fenômeno de fluência
A fluência é a deformação plástica gradual do metal que ocorre sob temperatura e carga constantes, mesmo que a tensão seja inferior ao limite de escoamento naquela temperatura, durante um longo período de tempo. Este tipo de fratura do material causada pela deformação por fluência é chamada de fratura por fluência.
Embora a fluência possa ocorrer em baixas temperaturas, ela só é significativa quando a temperatura é superior a aproximadamente 0,3. Se a temperatura do aço carbono exceder 300°C ou a do aço-liga exceder 400°C, o efeito da fluência deve ser levado em consideração.
É importante notar que a curva de fluência do mesmo material varia com a tensão e a temperatura.
Curva de fluência típica
O primeiro estágio, rotulado como “ab”, é conhecido como Estágio de Desaceleração Creep ou Estágio de Transição Creep. A taxa de fluência no início desta etapa é muito alta e diminui gradualmente ao longo do tempo até atingir o seu mínimo no ponto “b”.
O segundo estágio, rotulado como “bc”, é conhecido como Estágio de Creep de Velocidade Constante ou Estágio de Creep de Estado Estacionário. Este estágio é caracterizado por uma taxa de fluência relativamente constante. A taxa de fluência de um metal é geralmente expressa pela taxa de fluência ε durante este estágio.
O terceiro estágio é o Estágio de Creep Acelerado. À medida que o tempo avança, a taxa de fluência aumenta gradualmente até que a fratura por fluência ocorra no ponto “d”.
Alterar o diagrama da curva de fluência 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 acontecer, resultando na quebra do corpo de prova em um tempo muito curto.
4. Características da superfície de fratura por fluência
Características macro da superfície de fratura
A deformação plástica ocorre próximo à superfície da fratura e existem numerosas trincas nas proximidades da área deformada (essas trincas podem ser vistas na superfície da parte fraturada). Em casos de oxidação em alta temperatura, a superfície da fratura é revestida com uma camada de filme de óxido.
Microcaracterísticas da superfície de fratura
Morfologia da fratura intergranular de padrões semelhantes a açúcar cristal
5. Índice e medição de desempenho
O limite de fluência, a resistência à ruptura, a estabilidade de relaxação e outras propriedades mecânicas são comumente usadas para avaliar o comportamento de fluência dos materiais.
5.1 Limite de fluência
O limite de fluência é uma medida da resistência de um material metálico à deformação plástica sob carregamento de longo prazo em altas temperaturas e é um fator crucial para a seleção e projeto de componentes de serviço em altas temperaturas.
Existem duas maneiras de expressar o limite de fluência em MPa: uma é determinar a tensão máxima que a amostra pode suportar a uma taxa de fluência constante especificada dentro de um tempo e temperatura especificados; a outra é determinar a tensão máxima que faz com que a amostra sofra um alongamento de fluência especificado dentro de um tempo e temperatura especificados.
O Exemplo 1 mostra que o limite de fluência do material é 80MPa quando a temperatura é 500 ℃ e a taxa de fluência constante é 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 fluência e diagrama esquemático
O teste de fluência deve ser realizado sob condições de temperatura consistentes 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 relacionamento é traçada em coordenadas logarítmicas usando os dados obtidos da taxa de fluência de tensão.
Ao aplicar níveis de tensão relativamente altos, múltiplas 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 através de interpolação ou extrapolação da taxa de fluência medida, permitindo a determinação do limite de fluência.
A uma temperatura constante, existe uma relação empírica linear entre a tensão de fluência do segundo estágio (σ) e a taxa de fluência estacionária (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)
5.2 Força de resistência
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 se refere à sua resistência à deformação.
Para alguns materiais e componentes, a deformação por fluência é mínima e o seu único requisito é não quebrar durante a sua vida útil (como o tubo de vapor sobreaquecido numa caldeira). Nestes casos, a resistência mecânica é o principal critério utilizado 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 altas temperaturas.
Durante o processo de teste, não é necessário medir o alongamento da amostra, desde que seja registrado o tempo que leva para fraturar sob uma temperatura e um nível de tensão especificados.
Para componentes de máquinas com vida útil longa (dezenas de milhares a centenas de milhares de horas ou mais), é um desafio realizar testes de longo prazo, de modo que os dados normalmente são gerados usando altos níveis de tensão e tempos de fratura curtos. A resistência dos materiais é então calculada por extrapolação.
Extrapolar a fórmula empírica:
(tempo de fratura t, tensão σ, constantes A, B relacionadas à temperatura e material de teste)
Pegue o logaritmo da fórmula acima para obter:
Faça log t-log σ Fig., a relação linear pode ser extrapolada dos dados com tempo de fratura curto para a resistência duradoura com longo tempo.
5.3 Tensão residual
Quando submetidos a deformação constante, a tensão elástica dos materiais diminui gradualmente ao longo do tempo, conhecido como relaxamento de tensão.
A resistência dos materiais metálicos ao relaxamento de tensão é referida como estabilidade de relaxamento, que pode ser determinada através de testes de relaxamento de tensão medindo a curva de relaxamento de tensão.
A tensão residual é uma métrica usada para avaliar a estabilidade de relaxação de materiais metálicos. Quanto maior for a tensão residual, melhor será a temperatura de relaxamento.
Curva de relaxamento do estresse
Estágio 1: o estresse cai rapidamente no início;
Estágio 2: estágio em que a queda do estresse diminui gradativamente;
Limite de relaxamento: sob certas tensões e temperaturas iniciais, a tensão residual não continuará a relaxar.
5.4 Fatores que influenciam as propriedades mecânicas de alta temperatura
Para aumentar o limite de fluência, é importante controlar a taxa de subida da discordância com base na deformação por fluência e no mecanismo de fratura.
Para melhorar a resistência à ruptura, é necessário controlar o deslizamento dos limites dos grãos e a difusão das vagas.
Vários fatores podem impactar as propriedades mecânicas de 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 normalmente consistem em metais e ligas com altos pontos de fusão, alta energia de ativação de autodifusão ou baixa energia de falha de empilhamento.
Metais com pontos de fusão mais elevados, como cromo (Cr), tungstênio (W), molibdênio (Mo) e nióbio (Nb), apresentam taxas de autodifusão mais lentas.
A baixa energia de falha de empilhamento torna mais fácil a formação de discordâncias estendidas e mais difícil para as discordâncias escorregarem e subirem.
A fase dispersa pode efetivamente bloquear o deslizamento e a subida da luxação.
A adição de elementos como boro e terras raras, que aumentam a energia de ativação da difusão dos limites dos grãos, não apenas dificulta o deslizamento dos limites dos grãos, mas também aumenta a energia superficial das fissuras nos limites dos grãos.
Materiais resistentes ao calor com estruturas cúbicas de face centrada têm maior resistência a altas temperaturas em comparação com aqueles com estruturas cúbicas de corpo centrado.
Influência do processo de fundição
Revisado:
É importante reduzir o conteúdo de inclusões e defeitos metalúrgicos.
Ao utilizar a solidificação direcional, o número de contornos de grãos transversais é reduzido, levando a uma melhoria na resistência à ruptura, uma vez que é mais provável a formação de fissuras nos contornos de grãos transversais.
Influência do processo de tratamento térmico
O aço perlítico resistente ao calor normalmente passa por um processo de normalização seguido de revenimento em alta temperatura.
A temperatura de revenido deve ser 100 a 150 graus Celsius superior à temperatura de serviço para aumentar a estabilidade estrutural sob condições operacionais.
O aço ou ligas austeníticas resistentes ao calor são normalmente tratados através de dissolução e envelhecimento para atingir o tamanho de grão apropriado e melhorar a distribuição das fases de reforço.
O tratamento termomecânico pode aumentar ainda mais a resistência da liga, alterando a forma dos limites dos grãos (formando serrilhados) e criando limites poligonais de subgrãos dentro do grão.
Efeito do tamanho do grão
Tamanho de grão: Quando a temperatura operacional está abaixo da temperatura de resistência constante, o aço de grão fino apresenta maior resistência, enquanto quando a temperatura operacional excede a temperatura de resistência constante, o aço de grão grosso possui maior resistência à fluência e resistência.
Tamanho de grão irregular: Quando a tensão se concentra na junção entre grãos grandes e pequenos, é mais provável que se formem fissuras e resultem em fraturas prematuras.
