Fadiga ou deformação por fluência
Sendo um engenheiro ou fabricante, você não é estranho ao comportamento do material. Você sabe, os materiais frequentemente se deformam. Você pode lidar com problemas regularmente. Você sabe o que causa esses comportamentos? deformação por fluência. Portanto, é importante entender o que é deformação por fluência e como evitar que isso aconteça inesperadamente.
Creep é um processo furtivo que geralmente ocorre ao longo do tempo. Sua mudança é gradual. Muitas vezes, afeta metais como aço e polímeros. Essa deformação lenta e contínua pode pegar você desprevenido. No entanto, com o conhecimento adequado, você pode ficar à frente disso.
Além disso, a leitura e a interpretação de um gráfico de fluência é uma das habilidades mais importantes a serem desenvolvidas. Vamos nos aprofundar na deformação por fluência, o que é e como você pode evitá-la.
O que é deformação por fluência?
Efeito de deformação por fluência
A deformação por fluência é um fenômeno gradual. Acontece quando um material enfrenta estresse constante ao longo do tempo, diferentemente da distorção mecânica. Pode não ser imediatamente aparente, mas ainda pode causar falha do material. Sua formação é baseada nas propriedades do material, temperatura, uso e condições de estresse.
Imagine um trabalhador colocando sua garrafa de água de metal na área mais baixa de sua mochila contendo suas ferramentas. Este objeto permanece escondido sob outras ferramentas ao longo de todos os dias. A garrafa tinha uma aparência normal quando nova, mas tende a dobrar deformações durante seu período de uso. As partes da tampa e do fundo do item de metal podem mudar sua forma original. O processo de dobra se desenvolve gradualmente sem nenhuma transformação repentina ou imediata. O metal gradualmente se torna macio quando submetido à pressão contínua de ferramentas pesadas e conteúdos líquidos.
Sinais de deformação por fluência
Sinais de deformação por fluência
Detectar sinais de fluência com antecedência permite evitar a distorção do material. A fluência ocorre em vários tipos de materiais quando eles sofrem e sustentam forte estresse. Geralmente, Liga de aço sofre deformação por fluência em temperaturas que excedem 40% do seu ponto de fusão.
O concreto exibe características distintas de todos os outros materiais de construção. A função básica no projeto de mistura de concreto depende da proporção do conteúdo agregado. O processo de formação de danos por fluência inclui mudanças de temperatura junto com os níveis de estresse do material. O desenvolvimento prolongado danifica permanentemente os elementos de construção de concreto e suas características de superfície.
O fenômeno de fluência e empenamento geralmente afeta polímeros, náilon, ABS, polietileno e muitos materiais adicionais (Obtenha mais informações sobre diferentes Tipos de plástico para usinagem CNC). Superligas representam um método eficaz para impedir que o efeito de fluência aconteça. Além disso, materiais de grau de engenharia demonstram resistência superior à deformação por fluência porque preservam suas capacidades de resistência sob condições de alta pressão.
Creep na impressão 3D
A propagação térmica na impressão 3D
A fluência não é apenas um problema na fabricação tradicional. É algo que você frequentemente enfrentará na impressão 3D também. Na impressão FDM, a deformação por fluência surge do relaxamento viscoelástico sob carga, deslocando suas cadeias moleculares.
Outro problema é o heat creep. Isso acontece quando o calor sobe abruptamente pelo objeto impresso. Conforme o material esquenta, ele leva à deformação, particularmente quando o calor atinge áreas que você não pretendia.
O que é taxa de fluência em estado estacionário?
Taxa de fluência em estado estacionário
Com o tempo, materiais de fluência respondem ao estresse em diferentes estágios. A taxa de fluência em estado estacionário é um estágio crítico. Durante esta fase, o material mostra distorção uniforme e mantém uma taxa constante de mudança sem aumentar ou diminuir.
O material terminou sua fase de fluência rápida, que iniciou o processo. Agora ele mantém um equilíbrio e uma taxa de mudança estável. O movimento lento constante neste estágio provavelmente causará falha do material quando o estresse persistir ao longo do tempo.
Por exemplo, um tubo de metal em uma caldeira de alta temperatura é submetido a uma pressão interna constante. Devido à fluência em estado estacionário, ele gradualmente se alongará ao longo dos anos, eventualmente levando à ruptura. Quando o material sofre estresse contínuo na fase de estado estacionário, ele pode ser ainda mais propenso à quebra.
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Quais são os estágios típicos de fluência?
Estágios de deformação por fluência
A deformação por fluência geralmente ocorre em estágios. Cada estágio diz algo importante sobre como o comportamento do material está mudando. Vamos dividir esses estágios para dar a você uma imagem mais clara do processo:
Estágio primário (fluência transitória)
Este é o primeiro estágio após a aplicação de uma carga ao material. O material sofre uma fase elástica. Durante esta fase, a taxa de fluência diminui. O material começa a sofrer encruamento. Em termos mais simples, ele endurece sob pressão, tornando a deformação menos rápida no início.
Estágio secundário (fluxo de estado estacionário)
Depois que o material passa pela fase primária, ele entra no estágio secundário, сhamado fluência em estado estacionário. Este estágio é a fase mais prolongada da fluência. O material continua a se deformar, mas o faz em uma taxa mais consistente. Aqui, o material começa a amolecer, o que ajuda o processo de deformação a continuar. Você deve prestar muita atenção a este estágio porque ele fornece dados valiosos ao projetar estruturas ou materiais que enfrentam estresse de longo prazo.
Estágio terciário
O estágio final da fluência é quando as coisas começam a ficar selvagens. É aqui que a estrutura interna do material se quebra e ocorrem falhas. Nesta fase, as falhas internas vazios, microfissuras, e separação do limites de grãos pode se formar, levando à ruptura. O material não pode mais suportar o estresse, e a falha se torna inevitável com o tempo.
Tipos de deformação por fluência
A fluência não é um processo único. Diferentes mecanismos ocorrem durante a fluência, envolvendo múltiplos processos distintos que exigem condições específicas para serem ativados. As principais fluências aparecem em três formas primárias de deformação. Vamos explicar.
Nabarro-Herring Creep
Efeito de fluência Nabarro-Herring
A operação em alta temperatura combinada com estresse mínimo leva ao desenvolvimento da Deformação por Fluência de Nabarro-Herring. Os átomos da rede cristalina do material começam a se mover quando a temperatura sobe. Os átomos podem se mover livremente pela estrutura do material. A estrutura então contém novos espaços de vacância. O tamanho do grão primário determina a velocidade na qual os materiais se deformam por fluência. Os grãos de tamanho menor mostrarão taxas de deformação mais rápidas.
Fluência de polímero
Materiais poliméricos são mais suscetíveis à fluência durante altas tensões e altas temperaturas. Eles exibem tais comportamentos em temperaturas elevadas e temperaturas ambientes. O fator central que leva à fluência do polímero emerge dos movimentos de deslizamento da cadeia do polímero. Ele afeta principalmente polímeros amorfos em oposição a polímeros cristalinos. (Leia mais sobre da propriedades químicas do nylon)
Deslocamento de fluência
Deslocamento de fluência
Neste estágio de fluência, os átomos do material realocam suas posições por meio do movimento de deslizamento ou subida das discordâncias. A fluência da lei de potência descreve o movimento atômico por meio de deslocamentos horizontais ou verticais. Ela gera vacâncias que resultam em deformação do material. O material sofre deformação gradual porque as discordâncias se movem por toda a sua estrutura.
Coble rastejando
Efeito de fluência Coble
A fluência do Coble acontece durante condições de temperatura mais baixas do que outros tipos de deformação do material. Em vez da área real do grão, os limites do grão são o local primário para esse tipo de distorção do material. Os limites dentro do material mudam perpendicularmente à força de tensão instigante para desenvolver a fluência.
Fluência de arrasto de soluto
Alguns materiais abrangem componentes de liga resistente que sofrem deformação através do mecanismo de arrasto de soluto. Altas temperaturas levam à deformação atômica no material de soluto. Isso desenvolve falha mecânica e leva a danos materiais severos.
Rastejamento Harper-Dorn
Harper-Dorn rastejante (HD)
O mecanismo de deslocamento por trás desse tipo de fluência difere de outras instâncias de fluência de deslocamento. Durante a fluência Harper-Dorn, a taxa de deformação permanece principalmente inalterada por mudanças no tamanho do grão. Para experimentar esse tipo de fluência, o material deve ser 99.95% puro e compreender grandes dimensões de grãos que ultrapassem 0.5 mm. Além disso, a fluência deve ter uma baixa densidade de deslocamentos para que se torne evidente. A combinação de níveis de estresse e temperaturas dentro da faixa de 35% a 60% do ponto de fusão permite que a fluência Harper-Dorn seja ativada.
Tensão Limite de Sinterização
O processo de ligação de partículas de material por meio de aquecimento resulta em deposição de fluência durante as operações de sinterização. Quando a temperatura do material aumenta e os poros interpartículas reduzem em tamanho, a densidade do material aumenta. A fluência ocorre no material quando os poros param de encolher enquanto o material se aproxima de seu limite de densidade. O estresse neste ponto leva à fluência.
Resumo da Tabela
| Tipo de fluência | Condições | Característica chave |
| Nabarro-Arenque | Alta temperatura, baixo estresse | Movimento atômico, tamanho de grão pequeno |
| Fluência de polímero | Alto estresse, alta temperatura | Movimento da cadeia polimérica: afeta polímeros amorfos |
| Deslocamento de fluência | Estresse moderado, temperatura | O átomo se desloca por meio de deslocamentos, deformação gradual |
| Coble rastejando | Baixa temperatura, alto estresse | Deformação nos contornos de grãos |
| Fluência de arrasto de soluto | Temperatura alta | Deformação devido a átomos de soluto |
| Rastejamento Harper-Dorn | Alta temperatura, poucas luxações | Grãos grandes, deformação lenta |
| Tensão Limite de Sinterização | Alta temperatura, sinterização | A ligação de partículas e o encolhimento dos poros param |
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Como a deformação por fluência afeta os materiais de engenharia
Vamos descobrir como a fluência afeta os materiais de engenharia.
Deformação de fluência
Comportamento de fluência em plásticos
Geralmente, os termoplásticos sofrem deformação por fluência por meio de uma alteração dimensional lenta devido ao estresse constante que se acumula ao longo do tempo. A transição acontece ao longo do tempo, então geralmente permanece sem ser detectada. As peças de metal se deformam gradualmente sob pressão de longo prazo, semelhante a como uma peça de metal se curva lentamente.
Deslizamento do limite de grãos
Deslizamento do limite de grãos
Bordas de baixa densidade conectam pequenos cristais no material. O material se torna mais fraco devido à quebra de seus limites durante eventos de fluência. Quando a pressão continua a aumentar, o espaço se desenvolve entre suas seções.
Endurecimento por deformação
Um material estabelece tenacidade após processos de alongamento ou deformação por meio de endurecimento por deformação. Durante a parte inicial do período de fluência primária, os materiais demonstram alta resistência quando submetidos a estresse. Então, ele se torna progressivamente mais rígido quando você repete a flexão do fio em todo o seu comprimento.
Vagas
Um material tem vacâncias quando tem pontos vazios. Aqui, os átomos existem em sua estrutura. Os átomos ganham mobilidade durante o creep, o que produz espaços vazios entre suas posições. Buracos começam a se desenvolver entre os indivíduos enquanto eles ajustam suas posições.
Como evitar a deformação por fluência?
A prevenção de fluência requer conhecimento sobre como diferentes materiais avançam por seus estágios de fluência. Monitorar a fase de transição secundária de materiais permite que você escolha materiais apropriados para um trabalho.
Materiais sem grãos de fundição direcional são mais resistentes à deformação induzida por tensão. Superligas e materiais reforçados por dispersão são excelentes escolhas, pois exibem resistência à fluência superior em comparação a outros materiais.
Materiais de granulação fina (por exemplo, superligas) melhoram a resistência à fluência fortalecendo os limites dos grãos. Enquanto isso, materiais de alto ponto de fusão permanecem intactos durante temperaturas extremas e não se deformam facilmente devido aos efeitos da fluência.
Além disso, o controle de temperatura também pode ajudar a resistir à fluência. Temperaturas frias aplicadas ao material prolongam sua resistência enquanto retardam o início da fluência.
Deformação por fluência em aço inoxidável 316FR durante a usinagem
Equação de fluência-fadiga para aço inoxidável 316
A análise examinou como os ambientes de sódio influenciam o aço inoxidável 316FR submetido a processos de carburação. Este processo se aplica a componentes feitos durante a usinagem. Esses componentes foram usados posteriormente em Reatores reprodutores rápidos. Os experimentos executados em 550 ° C as condições de sódio replicaram as configurações operacionais dos reatores atuais.
O estudo mostrou os seguintes pontos conclusivos. O comportamento do material foi observado no período de teste essencial logo antes do início do procedimento de fluência. O pesquisador aplicou uma tensão excedendo a tensão de escoamento ao realizar esta fase de teste. Os analistas de pesquisa sustentam força constante durante o segundo período experimental para avaliação do comportamento de fluência. O projeto experimental exigiu consideração da contração da área do material, pois causou aumento da tensão.
Durante o processo de carburação, alterações no material penetraram com carbono. Eles observaram que o material se tornou mais forte antes que sua taxa de deformação por fluência diminuísse gradualmente. A superfície em direção à parte externa do material mostra penetração de carbono mais rápida durante a carburação. Áreas de concentração de tensão se formam devido a essas condições, resultando em rachaduras no material.
Um processo de avaliação sistemática no modelo permite que os pesquisadores calculem as condições que resultam em rachaduras no material. Em níveis de estresse mais baixos, o material sofreu mais fraturas por danos por fluência do que em estresse mais alto, o que afetou principalmente a resistência à tração.
Em condições de laboratório com solução de sódio em altos níveis de estresse, o material apresentou expectativa de vida reduzida em comparação aos testes de ar. A duração da exposição ao sódio ao material foi equivalente ou ligeiramente maior do que os períodos de exposição ao ar em níveis de estresse abaixo das condições atmosféricas. Os testes experimentais indicam que as propriedades do material permaneceram principalmente inalteradas pelos tratamentos de carburação a 550 °C.
Abordagem prática para evitar fluência na usinagem
Prevenção de fluência na usinagem
A Análise de Elementos Finitos (FEA) deve ser usada para usinagem de aço personalizada peças sujeitas à usinagem. Ajuda a simular a resposta do material sob condições de estresse e temperatura.
Além disso, ajuda a evitar a fluência. Permite que os engenheiros detectem problemas futuros de fluência com antecedência. Além disso, você pode selecionar materiais ideais para melhores formatos de componentes.
O monitoramento de máquinas em tempo real é outra abordagem para melhorar a eficiência da usinagem CNC. Ajustando taxa de alimentação e procedimentos de resfriamento ajudam os fabricantes a evitar a fluência. A otimização do caminho da ferramenta e as condições ideais de usinagem podem minimizar a quantidade de deformação por fluência em 30%. (Consulte Mais informação Usinagem CNC de 5 eixos)
Principais lições
Um material sujeito à fluência mecânica sofrerá deformação em altas temperaturas excedendo 40% do seu ponto de fusão enquanto estiver sob tensão próxima ao escoamento. Durante a deformação por fluência, o material desenvolve deformação gradualmente. No entanto, a formação pretendida pode exigir muitos anos para atingir a destruição.
Selecione aço com pontos de fusão mais altos para minimizar as chances de falha por fluência. Sob tensão, combinar grãos maiores desacelera a deformação por fluência.
O início da fluência terciária ocorre quando a tensão real ultrapassa a tensão de escoamento. Ou quando a alteração da microestrutura do material, como cavitação, resulta em fraturas do material.
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Perguntas Frequentes
P1: O que é fluência e o que a causa?
Creep é um processo de deformação lento sob estresse constante. Ele ocorre quando os materiais são expostos a altas temperaturas. Estresse prolongado próximo ou acima do limite de escoamento também contribui para o creep.
Q2: Qual é um exemplo de material de fluência?
Aço e superligas são exemplos típicos de materiais de fluência. Polímeros como nylon e polietileno também podem sofrer fluência quando expostos a alta tensão e temperatura.
Q3: O que mais frequentemente causa a fluência?
A fluência é causada pela exposição prolongada a altas temperaturas. O estresse próximo ou acima do limite de escoamento do material acelera a fluência ao longo do tempo.
Q4: Como a taxa de fluência em estado estacionário é calculada?
A taxa de fluência em estado estacionário é calculada medindo-se a deformação ao longo do tempo. Ela é expressa como a quantidade de deformação que ocorre por unidade de tempo.
Q5: Por que a usinagem de aço personalizada é essencial para a resistência à fluência?
Molduras por Medida usinagem de aço ajuda a controlar o tamanho do grão e a estrutura do material. A resistência à fluência em aços depende da liga (por exemplo, Cr, Mo), tratamento térmico e estabilização de carboneto, não apenas da usinagem.