Fluência de materiais – Equação de Norton e parâmetro de Larson-Miller

Fluência do material

Fluência – um mecanismo silencioso de degradação de materiais em altas temperaturas.

Fluência do material A plastificação é uma deformação permanente e dependente do tempo que ocorre em um material sob a influência de tensão prolongada. Esse fenômeno é particularmente significativo em temperaturas elevadas e altas, quando os processos de difusão e o movimento de deslocamentos permitem a deformação gradual do material mesmo sob tensões inferiores às que causariam plastificação rápida em um ensaio mecânico de curta duração.
No caso dos metais, a fluência geralmente se torna significativa após atingir uma temperatura homóloga suficientemente alta, ou seja, uma temperatura relacionada ao ponto de fusão do material, expressa em Kelvin. O valor de referência costuma ser aproximadamente 0,4–0,5 T_mEntretanto, a temperatura real na qual a fluência se torna significativa em termos de engenharia depende do material, da microestrutura, da tensão e da vida útil requerida.
A fluência é particularmente importante no projeto de componentes para turbinas, caldeiras, superaquecedores de vapor, oleodutos, trocadores de calor, fornos industriais e plantas petroquímicas. Esses componentes podem operar por dezenas ou centenas de milhares de horas sob condições simultâneas de alta temperatura e tensão.

Por que o material sofre deformação por fluência?

À temperatura ambiente, a deformação do metal deve-se principalmente ao movimento de deslocamentos induzido por tensões suficientemente elevadas. Com o aumento da temperatura, a mobilidade atômica aumenta e mecanismos adicionais de deformação dependentes do tempo são ativados.
Dependendo do material, da temperatura, da tensão e do tamanho do grão, os seguintes fatores podem estar envolvidos no processo de fluência:

• movimento e escalada de deslocamentos,
• difusão de átomos através da rede cristalina,
• difusão ao longo dos contornos de grão,
• deslizamento do contorno do grão,
• alterações microestruturais que ocorrem durante o aquecimento prolongado,
• coagulação e transformação de secreções fortalecedoras,
• Formação de vazios e microfissuras que levam à destruição do material.

Portanto, a fluência não é um mecanismo único, mas um conjunto de processos cuja contribuição pode variar com a temperatura e a tensão.

Três fases de fluência do material

A curva de fluência clássica representa a deformação de um material em função do tempo a temperatura e tensão constantes. Tipicamente, três estágios podem ser distinguidos.

1. Fluência primária

Inicialmente, a taxa de fluência diminui gradualmente. O material se deforma, mas simultaneamente ocorrem processos de endurecimento, limitando a deformação adicional. Como resultado, a taxa de deformação diminui com o tempo.

2. Deslizamento secundário – constante

Na segunda etapa, atinge-se uma taxa de fluência mínima e relativamente constante. Os processos que causam o endurecimento do material e os processos que levam à sua recuperação estrutural permanecem em equilíbrio aproximado.
A taxa mínima de fluência é um dos parâmetros básicos utilizados para caracterizar o comportamento de materiais destinados à operação a longo prazo em altas temperaturas.

3. Fluência terciária

Na fase final, a taxa de deformação começa a aumentar rapidamente. Isso se deve, entre outros fatores, à redução da seção transversal da amostra e ao desenvolvimento de danos microestruturais, vazios e microfissuras.
O processo, em última análise, leva a ruptura por fluência.

A fluência pode ocorrer abaixo do limite de escoamento.

Uma das características mais importantes da fluência é a possibilidade de ocorrência de deformação permanente a uma tensão muito inferior à tensão de curto prazo. ponto de escoamento material.
Isso ocorre porque, em altas temperaturas, o tempo se torna um fator adicional que influencia o comportamento do material. Um componente que poderia suportar facilmente uma determinada carga por alguns minutos ou horas pode sofrer deformação significativa ou falha após milhares de horas de operação.
Por essa razão, ao projetar componentes para altas temperaturas, não basta conhecer os valores. R_m lub R_p0,2 determinado à temperatura ambiente.

Equação de Norton - Velocidade de rastejamento

Um dos modelos mais utilizados para descrever a relação entre a taxa de fluência e a tensão é a lei de potência de Norton. Em uma forma expandida que leva em consideração o efeito da temperatura, a equação pode ser escrita como:
ε̇ = A σⁿ · exp(-Q / RT)

• ε̇ – velocidade de rastejamento,
• A – fator material dependendo do modelo e das unidades adotadas,
• σ – tensão,
• n – expoente de tensão,
• Q – energia de ativação do processo de fluência,
• R – constante universal dos gases,
• T – temperatura absoluta em Kelvin.

A equação revela duas características extremamente importantes da fluência: forte dependência da tensão e altíssima sensibilidade à temperatura.

Efeito da tensão na fluência

A tensão aparece na equação de Norton na potência nIsso significa que mesmo um aumento relativamente pequeno na tensão pode causar um aumento significativo na taxa de deformação por fluência.
O expoente n não é uma constante universal para todos os materiais. Seu valor depende do material, da microestrutura, da temperatura, da faixa de tensão e do mecanismo de fluência predominante.

Efeito da temperatura na fluência

A temperatura aparece na parte exponencial da equação. Portanto, mesmo um aumento relativamente pequeno na temperatura de operação pode aumentar significativamente a taxa de deformação por fluência e reduzir a vida útil do componente.
Por esse motivo, ultrapassar a temperatura operacional prevista para uma instalação de alta temperatura, mesmo por um período relativamente curto, pode ter um impacto significativo na sua durabilidade restante.

Parâmetro de Larson-Miller

Para correlação e extrapolação de resultados de testes de fluência e ruptura, entre outros, Parâmetro de Larson-MillerEle combina temperatura e tempo até a falha em um único parâmetro tempo-temperatura.
A forma clássica da equação é a seguinte:
P = T · (C + log₁₀ t_r)

• P – Parâmetro de Larson-Miller,
• T – temperatura absoluta [K],
• t_r – tempo de pausa, geralmente expresso em horas,
• C – a constante de ajuste usada na equação de Larson-Miller.

O parâmetro de Larson-Miller permite organizar os resultados de testes realizados em diferentes temperaturas e tempos, e criar curvas que possibilitam avaliar o comportamento do material a longo prazo.
No entanto, a equação de Larson-Miller não deve ser considerada uma fórmula universal para calcular a durabilidade de qualquer material com base apenas na temperatura. O método requer dados experimentais adequados para o material testado, faixa de temperatura e tensão, e determinação correta dos parâmetros de correlação.

A constante C no parâmetro de Larson-Miller

Stała C é um parâmetro de ajuste usado na correlação de dados tempo-temperatura. Muitas análises simplificadas usam um valor de C em torno de 20, mas ele não deve ser considerado uma constante universal do material.
O valor C ideal pode ser determinado com base em dados experimentais de fluência ou tempo até a ruptura. O uso de um valor C incorreto pode comprometer a qualidade da correlação e levar a uma extrapolação errônea da durabilidade.
O que é particularmente importante, Um valor C mais alto não significa automaticamente maior resistência à fluência ou maior resistência à fluência de um material.Este parâmetro deve ser interpretado como um elemento do modelo de Larson-Miller, e não como um indicador isolado da qualidade do material.
Mais informações: constante material C na equação de Larson-Miller.

A equação de Norton e o parâmetro de Larson-Miller – a diferença

Fatores que influenciam a fluência dos materiais

Temperatura

O aumento da temperatura incrementa a mobilidade dos átomos e das discordâncias, intensificando os processos de difusão. Consequentemente, as taxas de fluência normalmente aumentam e o tempo até a falha diminui.

Tensão

Um aumento na tensão pode causar um aumento drástico na taxa de deformação por fluência. Essa relação é um dos motivos pelos quais mesmo uma pequena sobrecarga em um componente de alta temperatura pode reduzir significativamente sua vida útil.

Microestrutura

A resistência à fluência depende do tamanho do grão, do tipo e da estabilidade dos precipitados, da estrutura da matriz, da densidade de deslocamentos e das alterações microestruturais que ocorrem durante a exposição prolongada a altas temperaturas.
O efeito do tamanho do grão não pode ser reduzido à regra "quanto mais fino o grão, maior a resistência à fluência". Em muitos materiais destinados à operação em altas temperaturas, a fluência é um fator importante. Grãos maiores podem aumentar a resistência à fluência.Isso ocorre porque a proporção de contornos de grão envolvidos em processos de difusão e deslizamento intergranular é reduzida. No entanto, a microestrutura ideal depende do material e das condições de operação.

aditivos de liga

Elementos que aumentam a estabilidade microestrutural e a resistência do material à deformação em altas temperaturas são de grande importância. Entre eles, destacam-se o molibdênio , o vanádio , o tungstênio , o titânio e – dependendo do tipo de liga – o nióbio , o cromo , o níquel e o cobalto.

Tamanho do grão e resistência à fluência

O efeito do tamanho do grão é particularmente interessante porque as exigências impostas ao material à temperatura ambiente e em altas temperaturas podem ser diferentes.
Uma microestrutura de grãos finos geralmente promove alta ponto de escoamento e bom propriedades de fadigaNo entanto, em condições de operação prolongada em altas temperaturas, um grande número de contornos de grão pode facilitar a difusão e o deslizamento entre os grãos.
Por essa razão, em alguns aços e superligas destinados à operação em altas temperaturas Utiliza-se uma microestrutura de grãos mais grosseiros. Em componentes de turbinas avançadas, é até possível variar deliberadamente a microestrutura: grãos mais finos na parte mais fria do componente e grãos maiores na área de temperatura mais alta, onde a resistência à fluência é crucial.

Resistência ao calor e resistência à fluência

Resistência ao calor e resistência à fluência não são a mesma propriedade.
A resistência ao calor descreve principalmente a resistência de um material aos impactos químicos ambientais em altas temperaturas, particularmente à oxidação e à formação de incrustações. A resistência à fluência, por outro lado, refere-se à capacidade de um material manter a estabilidade dimensional e mecânica sob exposição prolongada à temperatura e à tensão.
O aço pode, portanto, ser caracterizado por uma excelente resistência à oxidação em altas temperaturas e, ao mesmo tempo, não ser um material adequado para um elemento submetido a cargas elevadas e operando por dezenas de milhares de horas.
Portanto, ao selecionar Aço resistente ao calor e à fluência Não se deve levar em consideração apenas a temperatura máxima de operação, mas também o estresse, o tempo de operação, o ambiente de trabalho e os requisitos. propriedades mecânicas.

Por que não podemos comparar a resistência à fluência com base apenas na classe do aço?

Comparar a resistência à fluência de dois materiais exige especificar as condições de teste. Afirmar simplesmente que um material é "mais resistente à fluência" do que outro, sem especificar a temperatura, a tensão, o tempo e as condições do material, pode ser insuficiente ou enganoso.
Para uma comparação confiável, são utilizados, entre outros, os seguintes métodos:

• velocidade mínima de rastejamento,
• tempo para atingir uma determinada deformação,
• Chegou a hora de terminar.
• resistência à fluência para um tempo e temperatura específicos,
• resistência à fluência ao longo do tempo,
• Curvas de tensão-tempo-temperatura.

Portanto, não é possível concluir com segurança que o aço 1.4746 é mais resistente à fluência do que o 1.4828 ou o 1.4841 simplesmente substituindo os parâmetros da amostra na equação de Norton. Tal comparação requer dados reais e comparáveis ​​dos materiais.

Fluência e seleção de materiais para operação em altas temperaturas

A seleção do material para um elemento que opera em altas temperaturas deve levar em consideração diversos fatores simultaneamente:

• temperatura operacional contínua e máxima,
• valor e natureza das tensões,
• horário de funcionamento planejado,
• resistência à fluência e ruptura por fluência,
• resistência ao calor e resistência à oxidação,
• atmosfera de trabalho – oxidante, redutora, carburizante ou contendo compostos de enxofre,
• ciclos de aquecimento e resfriamento,
• estabilidade microestrutural,
• método de execução e tratamento térmico elemento.

Portanto, determinar apenas a temperatura máxima de operação de um material não é suficiente para projetar adequadamente um componente que opere sob carga de alta temperatura.

Fluência do material – a informação mais importante

• Fluência é a deformação permanente e dependente do tempo de um material sob carga.
• O fenômeno torna-se particularmente importante em altas temperaturas homólogas.
• A fluência pode ocorrer sob tensões inferiores à tensão de curto prazo. ponto de escoamento,
• A curva de fluência clássica inclui as fases primária, secundária e terciária.
• A equação de Norton descreve a dependência da taxa de fluência em relação à tensão e, em sua forma estendida, também em relação à temperatura.
• Parâmetro de Larson-Miller Utilizado para correlação de tempo e temperatura em análises de dados de fluência e tempo até a ruptura.
• O método Larson-Miller é baseado em dados experimentais e não substitui os testes de materiais.
• A resistência à fluência depende da temperatura, da tensão, do tempo, da microestrutura e da composição do material.
• Resistência ao calor não é o mesmo que resistência à fluência ou resistência à fluência.

A fluência é um dos mecanismos fundamentais que limitam a durabilidade de componentes que operam por longos períodos em altas temperaturas. Sua avaliação adequada requer a consideração simultânea de temperatura, tensão, tempo e propriedades específicas do material. Modelos como a equação de Norton e o parâmetro de Larson-Miller são ferramentas de engenharia muito úteis, mas devem ser utilizados com base em dados experimentais relevantes e dentro da faixa para a qual foram validados.