Aula03 Efeito Da Temperatura

Transcript

Efeitos da temperatura sobre o comportamento mecânico dos materiais - PMT2200 – Ciência dos Materiais Prof. Angelo Fernando Padilha Prof. Douglas Gouvêa Prof. Nicole R. Demarquette Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP 2 Conteúdo ü ü ü ü ü ü Temperatura homóloga Visco-elasticidade Comportamento mecânico das famílias de polímeros Viscosidade Comportamento visco-elástico Efeito da temperatura sobre a deformação plástica em materiais cristalinos Fluência A taxa mínima de fluência Mecanismos de fluência Outros fenômenos que ocorrem a altas temperaturas Materiais para aplicação em temperaturas elevadas Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 1 3 A temperatura homóloga Ø O calor, como uma forma de energia, afeta os diferentes materiais de formas diversas dependendo da energia de coesão do sólido. Fenômenos observados em certas faixas de temperatura para um material (como a fluência, por exemplo) também são observados em um segundo material similar, só que provavelmente em uma faixa de temperaturas diferentes. Ø Experimentalmente observa-se que as faixas de temperaturas em que os diferentes fenômenos ocorrem são fortemente correlacionadas nos diferentes materiais em uma escala adimensional na qual a temperatura (absoluta) de uso do material é dividida pela temperatura de fusão (Tc) do mesmo. À temperatura adimensional assim obtida dá-se o nome de temperatura homóloga: Ø Exemplos: τH = T/Tc (temperaturas em K!) T = 300K ⇒ τH = 0,6 para polímeros (Tc ~ 500K) e 0,16 para aços (Tc ~ 1800K) ü Portanto a temperatura ambiente é uma temperatura relativamente elevada para a maioria dos polímeros, porém uma temperatura baixa para a maioria dos materiais inorgânicos Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 4 Polímeros: transições térmicas Ø Polímeros podem se apresentar na forma totalmente amorfa (caso dos termorígidos e de alguns termoplásticos) ou parcialmente cristalina (termoplásticos semi-cristalinos) Ø Polímeros amorfos apresentam apenas uma temperatura de transição, a chamada temperatura de transição vítrea (Tg), já polímeros semi-cristalinos apresentam além desta, a temperatura de cristalização (Tc). Ø Os diferentes plásticos de engenharia podem ser esquematicamente classificados conforme o diagrama abaixo Tuso Semi-cristalinos Amorfos Líquido viscoso, processamento Líquido Viscoso, processamento Estado Ordenado, Volume livre aumenta, polímeros dúcteis Estado Borrachoso, elastômeros Tc Tg Estado Ordenado, polímeros frágeis e rígidos Estado Vítreo, Polímeros rígidos Obs.: Não existem polímeros 100% cristalinos. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 2 5 Comportamento mecânico dos polímeros A relação entre a temperatura de uso do polímero, Tg e Tc varia em função da classe de polímeros Termorígidos Elastômeros Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 6 Comportamento mecânico dos polímeros Continuação... Termoplástico amorfo Termoplástico semi-cristalino Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 3 7 Viscosidade Ø 1687: Isaac Newton “Principia” § Fluidos newtonianos ∆x τ=F/A γ = ∆x / h área A V,F h τ = η d γ / dt σ = tensão; γ = deformação; η: viscosidade a tensão de cisalhamento é proporcional à taxa de deformação Unidades da viscosidade no SI: [Pa.s] ou Poise [P] = 0,1 [Pa.s] Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 8 Viscosidades típicas [Pa.s] Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Asfalto Polímero Fundido Melaço Mel líquido Glicerina Óleo Vegetal Água Ar 100.000 1.000 100 10 1 0,01 0,001 0,00001 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 4 9 Visco-elasticidade Ø Fios de seda (observação experimental) Quando se aplica uma tensão observa-se uma deformação imediata (elástica) que prossegue com o tempo. Quando a força é removida há um encolhimento instantâneo (elástico), seguido de um encolhimento que prossegue com o tempo. James Clerk Maxwell (1867) Encyclopedia Britanica: Teoria da visco-elasticidade Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 Efeito da temperatura sobre o comportamento mecânico do poliestireno 10 Módulo de rigidez do poliestireno em função da temperatura Comportamento elástico Comportamento visco-elástico Fluência Líquido viscoso Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 5 Efeito da temperatura sobre a deformação plástica 11 Ø Os mecanismos de deformação plástica (também) são fenômenos termicamente ativados, portanto o limite de escoamento cai com o aumento da temperatura (para a grande maioria dos materiais) Ø Isto faz com que a aplicação intencional dos conhecimentos de ciência dos materiais (ou seja a engenharia do material) seja essencial no projeto para aplicações em altas temperaturas → mecanismos de endurecimento (superligas à base de níquel), formação de compósitos (compósitos de matriz cerâmica), modificações na estrutura das cadeias poliméricas (black orlon) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 12 O fenômeno e o ensaio de fluência Ø Materiais (metálicos, cerâmicos e poliméricos) expostos a altas temperaturas homólogas por tempos longos sofrem deformação plástica, mesmo quando submetidos a tensões inferiores ao limite de escoamento na mesma temperatura. Este fenômeno é denominado fluência ("creep") e tem grande importância em engenharia. Ø O ensaio de tração tem uma duração aproximada de 2 minutos a 2 horas. Nessa faixa de duração, a influência do tempo ou da velocidade de deformação é muito pequena. Ø O ensaio de fluência é isotérmico e realizado em dois modos: com tensão real ou carga (força) constantes. O ensaio tem duração típica na faixa de 2.000 a 10.000 horas. A deformação é determinada com grande precisão e a deformação total é freqüentemente inferior a 0,5%. Ø O ensaio de ruptura por fluência é realizado com cargas maiores, tem duração típica inferior a 1.000 horas. A deformação é usualmente determinada com menor precisão e a deformação total pode atingir valores da ordem de 50%. A principal informação obtida no ensaio de ruptura em fluência é o tempo de ruptura sob uma determinada tensão numa dada temperatura. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 6 13 Relembrando: As curvas de fluência Ø As curvas de fluência (Deformação Versus tempo) em geral apresentam três estágios: Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 14 Relembrando:As curvas de fluência Ø A tensão (ou carga) aplicada e a temperatura de ensaio têm grande influência na forma das curvas de fluência: Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 7 15 A taxa de fluência Ø A taxa mínima de fluência ("creep rate") é o parâmetro mais importante para finalidade de projeto extraído dos ensaios de fluência, particularmente a velocidade de fluência no estágio estacionário ("steady-state creep rate") ou segundo estágio. Ø Dois valores de referência são muito importantes: a) a tensão necessária para produzir uma velocidade de fluência de 0,0001% por hora ou seja 1% de deformação em 10.000 horas (quase 14 meses) e b) a tensão necessária para produzir uma velocidade de fluência de 0,00001% por hora ou seja 1% em 100.000 horas (cerca de 11,5 anos). O primeiro valor é um parâmetro de projeto típico para turbinas de combustão interna (jato) e o segundo para turbinas a vapor. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 Os mecanismos de fluência em materiais inorgânicos 16 Ø A deformação plástica durante o ensaio de fluência ou em serviço pode ocorrer por três mecanismos: movimentação de discordâncias, difusão e escorregamento de contornos de grãos. Ø O movimento das discordâncias é termicamente ativado e sua mobilidade aumenta com o aumento da temperatura. Novos sistemas de deslizamento tornam-se operativos e mecanismos alternativos de movimentação de discordâncias, tais como escalada ("climb") e escorregamento com desvio ("cross-slip"), são ativados quando materiais cristalinos são deformados em altas temperaturas. Ø O escorregamento de contornos de grão ocorre na parte final do ensaio e é o mecanismo dominante para temperaturas muito altas. Este mecanismo é fortemente relacionado com a fratura em fluência e será discutido posteriormente. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 8 17 Os mecanismos de fluência Ø A difusão, sob ação de tensão externa, também pode causar deformação plástica. A difusão tanto pode ocorrer através do volume (mecanismo de Nabarro-Herring) como ao longo dos contornos de grãos (mecanismo de Coble). Conforme esperado, as energias de ativação para difusão e para fluência apresentam excelente correlação. a) Escalada ("climb) de discordância: Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP Os mecanismos de fluência b) Deformação difusão: plástica por c) Energias de ativação fluência e para difusão: para Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 18 PMT - 2200 9 19 A equação de Mukherjee-Bird-Dorn Ø A equação de Mukherjee-Bird-Dorn é uma tentativa de correlacionar a taxa mínima de fluência com os diferentes parâmetros físicos que caracterizam o processo. AGbD  b   σ  =     kT  d   G  p ε&min n Onde: G = módulo de cisalhamento, b = módulo do vetor de Burgers, D = difusividade, k = constante de Boltzmann, d = tamanho de grão, σ = tensão aplicada, A, p e n são parâmetros Lembrando:  Q  D = D0 exp − D   kT  Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 20 Os mapas de fluência (mapas de Weertman-Ashby) Ø O comportamento sob fluência de um determinado material pode ser concisamente representado em um gráfico envolvendo a temperatura homóloga na abcissa e a tensão normalizada (σ/G ou τ/G) na ordenada. Ø Nestes mapas, chamados mapas de Weertman-Ashby, costuma-se graficar também as linhas correspondentes às condições que resultam numa mesma taxa mínima de fluência. Ø O mecanismo de fluência predominante em uma dada temperatura pode ser identificado pelo parâmetro n da equação MBD, plotando-se num gráfico bi-log: ε&min kT σ × DGb G Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 10 21 Mapas de Weertman-Ashby (Exemplo) Ø Mapas WA para o Níquel puro com dois tamanhos de grão diferentes (note as melhores propriedades do material com maior Tamanho de Grão) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 22 Fratura em fluência Ø Durante a deformação plástica de materiais policristalinos em temperaturas elevadas pode ocorrer o deslizamento de grãos, o qual é favorecido pelo aumento da temperatura e pela diminuição da velocidade de deformação. A contribuição deste mecanismo na deformação total é pequena (exceto em cerâmicas, onde é o mecanismo dominante), mas ele está freqüentemente associado com o início da fratura nos contornos de grãos. a) Mecanismo de formação de trincas intergranulares por deslizamento de grãos (segundo H. C. Chang e N. J. Grant). b) Mapa de mecanismos de fratura (segundo M. F. Ashby). Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 11 23 Trincas de fluência: a) do tipo w (wedge), em contornos de grão alinhados com a direção de máxima tensão de cisalhamento e b) do tipo r (round), em contornos normais à tensão de tração.(segundo G.Dieter). Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 Outros fenômenos ("internos" e "externos") que ocorrem em altas temperaturas 24 Ø Durante a exposição em altas temperaturas por tempos longos, o material sofre modificações internas e externas, que por sua vez, afetam a resistência à fluência. Os dois problemas "internos" principais são o engrossamento ou coalescimento da microestrutura (“Ostwald ripening”) e a precipitação de fases duras e frágeis conhecidas como fases intermetálicas. Os três problemas "externos" principais são: oxidação, carbonetação e corrosão a quente ("hot corrosion"). Ø Enquanto o engrossamento ou coalescimento da microestrura é praticamente inevitável, a precipitação de fases intermetálicas pode ser minimizada por um balanceamento adequado da composição da liga. Ø As principais fases intermetálicas indesejáveis nas superligas à base de níquel, cobalto ou ferro são: i) fases intermetálicas produto de coalescimento e transformação de γ' e γ'': η e δ, respectivamente; ii) fases intermetálicas produto de precipitação: σ, µ, χ , G e Laves. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 12 25 Resistência à Oxidação Ø A resistência à oxidação dos aços inoxidáveis e superligas à base de níquel, cobalto ou ferro é obtida por meio da adição de cromo, que propicia a formação de um óxido à base de cromo aderente e protetor. O alumínio tem efeito similar ao do cromo e em algumas superligas o óxido formado é a alumina. Ø Os metais refratários apresentam resistência à oxidação muito pobre e alguns deles são susceptíveis à chamada "oxidação catastrófica", pois formam óxidos com ponto de fusão mais baixo que o respectivo metal. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 26 Resistência à Oxidação Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 13 27 Resistência à oxidação e resistência à fluência para vários materiais metálicos Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 Resistência à fluência em função da temperatura para vários materiais. 28 (Segundo A.Weronski e T. Hejwowski) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 14 29 Recobrimentos ("coatings") Ø A proteção contra ataques do meio, principalmente oxidação, só é alcançada em alguns casos com auxílio de recobrimentos. Os recobrimentos metálicos têm espessura de alguns µ m, enquanto os cerâmicos também funcionam como barreira térmica e têm cerca de 1 mm. Os principais recobrimentos metálicos utilizados para proteger as superligas são os aluminetos. Na proteção de metais refratários são utilizados predominantemente silicetos. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 30 Algumas Propriedades dos Principais Materiais Utilizados para Recobrimentos em comparação com os substratos (Ni, aço inoxidável austenítico AISI 316 e Mo). Densidade (g/cm3) 21,4 Coef. Dilat. Térm. (10 -6 K) Pt Ponto de Fusão (°C) 1770 NiAl 1640 5,90 CoAl 1640 6,04 NbAl 3 >1700 TaAl 3 NbSi 2 Material 8,8 Cond. Térm. (W/cm K) 0,71 Estrutura Cristalina CFC 14 - Cúbica - - Cúbica 4,60 8,3 - Tetragonal >1500 7,0 6,9 - Tetragonal 2000 5,3 8,5 MoSi 2 1870 6,2 8,1 TaSi 2 2400 8,8 8,5 WSi 2 2150 9,3 8,5 0,31 Tetragonal Al 2O3 2030 4,0 7,4 0,088 Hexagonal Cr2O3 2430 3,6 8,1 0,088 Hexagonal MgO 2800 5,2 14,2 - Cúbica ThO2 3220 9,7 9,9 0,050 Cúbica Ni 1455 8,90 13,3 0,80 CFC 1400-1370 8,00 16,0 0,16 CFC 2625 10,22 4,9 1,42 CCC AISI 316 Mo Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP Hexagonal 0,31 Tetragonal Hexagonal PMT - 2200 15 Cerâmicas para aplicações em altas temperaturas 31 ü Cerâmicas geralmente apresentam estruturas cristalinas complexas que reduzem a difusividade e a habilidade do material em sofrer deformação plástica. Desta forma, cerâmicas geralmente apresentam boas propriedades em solicitações de fluência ü Além disto, cerâmicas freqüentemente apresentam uma excelente resistência à oxidação e à corrosão a quente ü A limitação é a baixa tenacidade intrínseca do material, além da sua sensibilidade ao choque térmico ü Exemplo de material promissor para uso até 1900o C → MoSi2 ü Alternativa é o uso de cerâmicas como material de reforço em compósitos de matriz metálica (aumentando a resistência à fluência da matriz) ou de matriz cerâmica (aumentando a tenacidade da matriz) Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 32 Exemplos de aplicação Ø O desenvolvimento das turbinas, especialmente daquelas utilizadas para propulsão a jato, ocasionou grande desenvolvimento nos materiais para altas temperaturas nos últimos 50 anos. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica - USP PMT - 2200 16