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Propriedades mecânicas de materiais a altas temperaturas: conhecimentos essenciais para a indústria de máquinas
Em domínios industriais como a aeroespacial, a energética e a engenharia química, numerosos componentes mecânicos operam em condições de alta temperatura durante longos períodos, incluindo motores, caldeiras,e equipamento de refinação de petróleoEstes componentes impõem exigências rigorosas às propriedades mecânicas dos materiais a altas temperaturas.O desenvolvimento de novos materiais resistentes a altas temperaturas tornou-se uma tarefa crucial para o avanço destas indústrias e da investigação em ciência dos materiais.Este artigo elabora conhecimentos essenciais relacionados com as propriedades mecânicas de materiais a altas temperaturas, fornecendo insights valiosos para o setor de máquinas.
1Definição de "altas temperaturas" para materiais metálicos
A classificação da temperatura "alta" ou "baixa" é relativa ao ponto de fusão do metal.Um critério comum é a "temperatura homóloga" T/Tm (onde Tm denota o ponto de fusão do material). Quando T/Tm > 0,4-0.5, a temperatura é considerada elevada para esse material específico.
Exemplos de aplicação prática:
- A temperatura de funcionamento dos motores das aeronaves civis aproxima-se de 1500°C, enquanto a dos motores das aeronaves militares atinge cerca de 2000°C.
- As temperaturas de funcionamento locais dos veículos aeroespaciais podem atingir 2500 °C.
- Para tubulações de alta temperatura e alta pressão em equipamentos químicos, mesmo que a tensão aplicada seja inferior à resistência ao rendimento do material à temperatura de funcionamento,Pode ocorrer uma deformação plástica contínua durante a utilização prolongada, levando a uma expansão gradual do diâmetro do tubo e a uma potencial ruptura.
2Efeitos da temperatura e do tempo nas propriedades dos materiais
As propriedades mecânicas dos materiais são significativamente influenciadas tanto pela temperatura como pela duração da carga em condições de alta temperatura,com propriedades mecânicas claramente diferentes das de temperatura ambiente.
2.1 Efeito da temperatura
Geralmente, à medida que a temperatura aumenta, a resistência dos materiais metálicos diminui enquanto a sua plasticidade aumenta.
2.2 Efeito da duração da carga
- Quando σ < σs (força de rendimento), pode ocorrer escorrega durante o serviço a longo prazo, potencialmente resultando em fratura.
- Com uma duração de carga prolongada, a resistência à tração do aço a altas temperaturas diminui.
- Sob tensão de curta duração a altas temperaturas, a plasticidade do material aumenta; no entanto, sob carga a longo prazo, a plasticidade dos materiais metálicos diminui significativamente, a sensibilidade de entalhe aumenta,e fratura frágil ocorre frequentemente.
- O efeito combinado da temperatura e do tempo também influencia o percurso de fratura dos materiais.
2.3 Temperatura de igual força (TE)
À medida que a temperatura sobe, tanto a resistência do grão quanto a resistência do limite do grão diminuem.fazendo com que a resistência do limite do grão diminua mais rapidamenteA temperatura à qual a resistência dos grãos é igual à dos limites dos grãos é definida como a temperatura de resistência igual (TE).
- Quando os materiais operam acima do TE, o modo de fratura passa da fratura transgranular comum para a fratura intergranular.
- O TE não é um valor fixo, mas é significativamente afectado pela taxa de deformação.A TE aumenta com o aumento da taxa de deformação.
Em resumo, a investigação das propriedades mecânicas dos materiais a altas temperaturas deve incorporar a temperatura e o tempo como factores críticos.
3Fenômeno estranho nos materiais metálicos
3.1 Definição de Creep
Creep refers to the phenomenon where metals undergo slow plastic deformation under long-term constant temperature and constant load conditions—even when the stress is lower than the yield strength at that temperatureA fratura causada por deformação por arrastão é conhecida como fratura de arrastão.3Por exemplo:
- Os efeitos de arrasto devem ser tidos em conta no aço carbono acima de 300 °C e no aço ligado acima de 400 °C.
3.2 Processo de arrastamento de metais
A curva de rastejamento dos metais normalmente consiste em três estágios (sob tensão e temperatura constantes):
- Fase de crescimento primário (Fase de crescimento transitória): caracterizada por uma taxa de crescimento inicial elevada que diminui gradualmente ao longo do tempo, atingindo um mínimo no final desta fase.
- Estágio de crescimento secundário (estado estacionário): a taxa de crescimento permanece quase constante durante esta fase.A taxa de fluxo dos metais é geralmente definida como a taxa de fluxo no estado estacionário ε a partir deste estágio.
- Estágio de Creep Terciário (Estágio de Creep Acelerado): A taxa de creep aumenta progressivamente com o tempo, levando finalmente à fratura de creep.
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