Existem dois tipos de coeficientes de materiais 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 último consiste em C (capacidade térmica específica), ρ (densidade) e k (condutividade térmica).
Esses coeficientes não são constantes, mas variam com a temperatura. Porém, quando a temperatura não é elevada, seus valores médios são frequentemente tratados como constantes. Em situações de alta temperatura ou variação significativa, é fundamental considerar suas variações 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 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 vibracionais 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 medindo a velocidade de propagação das ondas.
2. Relação entre Coeficiente de Calor e Temperatura
O coeficiente de calor dos materiais metálicos geralmente exibe uma relação linear com a temperatura. O coeficiente de expansão linear α tende a aumentar linearmente à medida que a temperatura aumenta, enquanto a condutividade térmica k diminui à medida que a temperatura aumenta, e a capacidade de calor específico 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, medida por testes experimentais, revela como o coeficiente de calor do material específico muda com a temperatura.
Por exemplo, a variação no coeficiente de calor do aço carbono com a temperatura é representada no gráfico a seguir, derivado de várias fontes de dados.
3. Fadiga térmica de materiais
À medida que a temperatura dos materiais dúcteis aumenta, eles não falharão imediatamente, mesmo que a tensão a que estão sujeitos exceda o limite de escoamento. No entanto, mesmo que o nível de tensão seja baixo, caso se repitam alterações consideráveis de temperatura, elas acabarão por falhar devido à fadiga, resultando em fissuras. Este fenômeno é conhecido como fadiga térmica.
Considere uma barra de teste fixada em ambas as extremidades, submetida a repetidos ciclos de calor entre as temperaturas mais altas e mais baixas, conforme ilustrado no diagrama a seguir.
Suponha que no início do experimento a haste seja fixada na temperatura mais alta e depois resfriada para gerar tensão de tração, OAF representa uma linha de mudança de tensão. Se reaquecida, a curva tensão-deformação inicialmente se move paralelamente a OA para baixo, cedendo a uma tensão inferior à força de tração do ciclo de resfriamento, eventualmente atingindo o ponto E.
Se mantida na temperatura mais alta por algum tempo, ocorre o relaxamento da tensão, resultando em uma diminuição da tensão de compressão, atingindo o ponto E'. Se o resfriamento for retomado, ele sobe ao longo de E'F', atingindo o ponto F' na temperatura mais baixa.
Como não ocorre relaxamento de pressão na temperatura mais baixa, se o reaquecimento começar, a curva cai ao longo de F'E”, atingindo o ponto E” na temperatura mais alta. Devido ao relaxamento da tensão, a tensão reduz 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 este ciclo de resfriamento e aquecimento for repetido, a curva tensão-deformação traça um ciclo de histerese a cada vez, 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 permanência 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 εP e o número de repetições N para atingir a falha. De acordo com a fórmula empírica de Manson-Coffin:
Aqui, εf denota o alongamento no ponto de falha do material durante um teste de tração estática à temperatura média de um ciclo térmico.
A descrição acima mencionada refere-se apenas à fadiga por tensão térmica unidirecional de um material. Contudo, a fadiga térmica em estruturas reais é multidirecional e constitui um campo de estudo especializado.
