As seguintes características inerentes são necessárias em hastes de controle tolerantes a acidentes: O valor da reatividade do ATCR deve ser comparável ou superior ao do CR convencional. Os materiais de absorção de nêutrons usados no ATCR devem ter ponto de fusão suficientemente alto.
As hastes de controle são um importante sistema de segurança de reatores nucleares. Sua ação imediata e resposta imediata do reator são indispensáveis. Barras de controle são usadas para manter o estado desejado de reações de fissão dentro de um reator nuclear (ou seja, estado subcrítico, estado crítico, mudanças de energia). Elas constituem um componente chave de um sistema de desligamento de emergência (SCRAM).
As hastes de controle são hastes, placas ou tubos contendo um material absorvedor de nêutrons (material com seção transversal de alta absorção para nêutrons térmicos), como boro, háfnio, cádmio, etc., usados para controlar a potência de um reator nuclear. Ao absorver nêutrons, uma haste de controle evita que os nêutrons causem novas fissões.
As hastes de controle geralmente constituem conjuntos de hastes de controle de cluster (PWR) e são inseridos em dedais de guia dentro de um conjunto de combustível nuclear. O material absorvente (por exemplo, grânulos de carboneto de boro ou liga Ag-In-Cd) é protegido pelo revestimento geralmente feito de aço inoxidável.
No entanto, o ponto de fusão da liga Ag-In-Cd (~790 ̊C), a temperatura eutética de carboneto de boro (B4C) e Fe (~1150 ̊C) e a temperatura eutética de Fe e Zr (~950 ̊C) são inferiores a temperatura (≳1 200) à qual o revestimento de combustível de liga de Zr começa a ser intensamente oxidado em condições de acidente grave. Consequentemente, é possível que as hastes de controle derretam e colapsem antes que o núcleo do reator seja significativamente danificado no caso de acidentes graves.
As seguintes características inerentes são exigidas em hastes de controle tolerantes a acidentes:
O valor da reatividade do ATCR deve ser comparável ou superior ao do CR convencional.
Os materiais de absorção de nêutrons usados no ATCR devem ter ponto de fusão suficientemente alto e alta temperatura eutética com revestimento para evitar a quebra dos CRs antes da falha extensa da barra de combustível em um acidente grave, evitando assim recriticalidade incontrolável, mesmo se água não borada for injetada para resfriamento de emergência do núcleo.
A ideia principal é substituir os materiais convencionais de absorção de nêutrons por materiais cerâmicos adequados que satisfaçam os requisitos acima. O candidato a um novo material absorvedor para ATC inclui gadolinia (Gd2O3), samaria (Sm2O3), europia (Eu2O3), disprosia (Dy2O3), hafnia (HfO2). O ponto de fusão desses materiais e a temperatura de liquefação com Fe são maiores do que a temperatura de oxidação rápida da liga de zircônio.
Referências:
Ciência dos Materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Combustível tolerante a acidentes
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TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micropartícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício.
A maioria dos PWRs usa combustível de urânio, que está na forma de dióxido de urânio. O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem ponto de fusão muito alto e comportamento bem conhecido. O UO2 é prensado em pellets, esses pellets são então sinterizados no cilindro sólido (com altura e diâmetro de cerca de 1 centímetro, sendo a altura maior que o diâmetro). As dimensões dos pellets de combustível e outros componentes do conjunto de combustível são controladas com precisão para garantir consistência nas características do combustível. Essas pelotas são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (um tubo de revestimento metálico), que é feito de ligas de zircônio devido à sua baixíssima seção transversal de absorção (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível. As varetas de combustível são o elemento básico de um conjunto de combustível. As varetas combustíveis têm a finalidade de conter os produtos de fissão, garantindo o suporte mecânico das pastilhas e permitindo a remoção de calor para o fluido refrigerante do calor gerado pelas reações nucleares. Barra de combustível típica, tem um comprimento de cerca de 4 m, com um diâmetro de cerca de 1 cm. Um núcleo nuclear de 1100 MWe (3300 MWth) pode conter 157 conjuntos de combustível compostos por mais de 45000 varetas de combustível e cerca de 15 milhões de pastilhas de combustível.
TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micro partícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício. Fonte: energy.gov Licença: Domínio Público
TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micro partícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício. Historicamente, as partículas TRISO têm sido utilizadas em elementos combustíveis constituídos por seixos esféricos ou blocos prismáticos hexagonais com grafite usado como matriz e revestimento para o elemento combustível. Cada partícula atua como seu próprio sistema de contenção graças às suas camadas de revestimento triplo. Isso permite que eles retenham produtos de fissão em todas as condições do reator. As partículas TRISO podem suportar temperaturas extremas que estão muito além do limiar dos atuais combustíveis nucleares. Pelotas compostas TRISO-SiC consistem em partículas de combustível TRISO embutidas em uma matriz de SiC. O uso de SiC como matriz em vez de grafite melhora a tolerância à radiação da matriz de combustível, além de aumentar a retenção de FP. O combustível composto TRISO-SiC é geralmente chamado de combustível microencapsulado totalmente cerâmico (FCM).
De acordo com o relatório da NEA, o combustível TRISO-SiC é concebido como um conceito promissor de médio prazo para substituir os atuais pellets de combustível UO2. Possui características de segurança potencialmente superiores em relação a outras formas de combustível como resultado de suas múltiplas barreiras à dispersão de FP, alta estabilidade mecânica e boa condutividade térmica. Uma baixa densidade de carregamento de material físsil é a principal questão para este conceito. A fim de aumentar a carga físsil, a combinação de enriquecimento de urânio até o limite superior prático de LEU (~ 19,7% de 235-U), aumentando a fração de volume de núcleo para partícula e fração de embalagem TRISO e aumentando o diâmetro do pino de combustível foi proposto.
O carboneto de silício é um composto cristalino de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente. Sua fórmula química é SiC. O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, aproximando-se da do diamante. Sua alta condutividade térmica, juntamente com sua resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica e resistência a reações químicas, torna o carboneto de silício valioso na fabricação de aplicações de alta temperatura e outros refratários. Na indústria nuclear, o material compósito de carboneto de silício tem sido investigado para uso como substituto do revestimento de liga de zircônio em reatores de água leve. As cerâmicas à base de carboneto de silício (SiC) e seus compósitos têm propriedades superiores de alta temperatura (HT), excelente resistência à irradiação, baixa ativação inerente e outras propriedades físicas/químicas superiores.
Referências:
Ciência dos Materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Combustível tolerante a acidentes
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O siliceto de urânio é um composto inorgânico de urânio. É um dos projetos possíveis de materiais de pellets de combustível tolerantes a acidentes propostos. As vantagens são maior porcentagem de urânio e maior condutividade térmica.
A maioria dos PWRs usa combustível de urânio, que está na forma de dióxido de urânio. O dióxido de urânio é um sólido semicondutor preto com condutividade térmica muito baixa. Por outro lado, o dióxido de urânio tem ponto de fusão muito alto e comportamento bem conhecido. O UO2 é prensado em pellets, esses pellets são então sinterizados no cilindro sólido (com altura e diâmetro de cerca de 1 centímetro, sendo a altura maior que o diâmetro). As dimensões dos pellets de combustível e outros componentes do conjunto de combustível são controladas com precisão para garantir consistência nas características do combustível. Essas pelotas são então carregados e encapsulados dentro de uma barra de combustível (um tubo de revestimento metálico), que é feito de ligas de zircônio devido à sua baixíssima seção transversal de absorção (ao contrário do aço inoxidável). A superfície do tubo, que cobre os pellets, é chamada de revestimento de combustível. As varetas de combustível são o elemento básico de um conjunto de combustível. As varetas combustíveis têm a finalidade de conter os produtos de fissão, garantindo o suporte mecânico das pastilhas e permitindo a remoção de calor para o fluido refrigerante do calor gerado pelas reações nucleares. Barra de combustível típica, tem um comprimento de cerca de 4 m, com um diâmetro de cerca de 1 cm. Um núcleo nuclear de 1100 MWe (3300 MWth) pode conter 157 conjuntos de combustível compostos por mais de 45000 varetas de combustível e cerca de 15 milhões de pastilhas de combustível.
Pellets de Combustível Avançado
De acordo com o relatório da NEA, os projetos de combustível cobertos pela Força-Tarefa em Projetos Avançados de Combustível consistem em três conceitos diferentes:
Combustível UO2 melhorado. Em relação ao combustível UO2 aprimorado, esse projeto específico foi dividido em dois subconceitos, como UO2 dopado com óxido e UO2 de alta condutividade térmica (projetado pela adição de dopante metálico ou cerâmico).
Referência Especial: Agência de Energia Nuclear, Relatório de Estado da Arte sobre Combustível Tolerante a Acidentes em Reator de Água Leve. NEA No.7317, OCDE, 2018.
Combustível de alta densidade
A maioria dos materiais metálicos sugeridos para uso como revestimento para reduzir a oxidação do vapor apresentam penalidades de reatividade bastante grandes em comparação com os revestimentos tradicionais à base de Zr. Essas penalidades podem ser compensadas por um aumento do enriquecimento de 235U e/ou uma diminuição na duração do ciclo. Para compensar isso sem as concessões anteriores, a densidade físsil no pellet deve ser aumentada. A densidade físsil pode ser aumentada de várias maneiras. Uma maneira possível é aumentar a densidade do material, e outra é aumentar a proporção de metal para não metal nos combustíveis compostos de metal.
Existem vários projetos propostos de combustível de alta densidade, mas deve-se notar que todos os combustíveis de alta densidade estão longe de estarem prontos para serem usados como combustíveis em reatores comerciais de água leve. Os conceitos incluem:
Combustíveis Nitretos
Combustíveis Silicidas
Combustíveis de Carboneto
Combustíveis Metálicos
Combustível de Silicida de Urânio
O siliceto de urânio é um composto inorgânico de urânio. É um dos projetos possíveis de materiais de pellets de combustível tolerantes a acidentes propostos. As vantagens são maior porcentagem de urânio e maior condutividade térmica. Com uma densidade de siliceto de urânio de 12,2 g/cm3 (vs.), o siliceto de urânio (U3Si2) oferece um aumento na economia de combustível. O dióxido de urânio tem uma densidade de 10,97 g/cm3. Além disso, há um excedente de sua composição estequiométrica. No final, há uma densidade de urânio cerca de 17% maior que a do dióxido de urânio. Uma substituição direta de UO2 por U3Si2 deve permitir que um reator gere mais energia a partir de um conjunto de barras de combustível e também forneça mais “tempo de enfrentamento” no caso de acidentes graves. Sua condutividade térmica (~8,5 W/mK a 300 K) é significativamente maior que a do dióxido de urânio em temperaturas operacionais e aumenta em função da temperatura (a condutividade térmica do dióxido de urânio diminui em função da temperatura). Essa condutividade térmica compensa seu ponto de fusão mais baixo, de modo que as margens operacionais e de segurança do combustível são aprimoradas.
A Westinghouse, o Laboratório Nacional de Idaho (INL) e o Laboratório Nacional de Los Alamos começaram a desenvolver e fabricar siliceto de urânio e seus combustíveis compostos por meio do programa de Combustível Tolerante a Acidentes do DOE. O desempenho térmico aprimorado do U3Si2 em comparação com o combustível UO2 permite a implementação de um revestimento mais avançado, como um composto de SiC-SiC, que, além dos benefícios operacionais e de segurança esperados, também oferece economia de nêutrons superior e maior economia de custos do ciclo de combustível em relação aos revestimentos à base de Zr.
TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micro partícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício. Fonte: energy.gov Licença: Domínio Público
TRISO, TRI-estrutural ISO-trópico, é um tipo de micro partícula de combustível, que consiste em núcleos de material físsil revestidos com múltiplas camadas de carbono poroso ou denso e carboneto de silício. Historicamente, as partículas TRISO têm sido utilizadas em elementos combustíveis constituídos por seixos esféricos ou blocos prismáticos hexagonais com grafite usado como matriz e revestimento para o elemento combustível. Cada partícula atua como seu próprio sistema de contenção graças às suas camadas de revestimento triplo. Isso permite que eles retenham produtos de fissão em todas as condições do reator. As partículas TRISO podem suportar temperaturas extremas que estão muito além do limiar dos atuais combustíveis nucleares. Pelotas compostas TRISO-SiC consistem em partículas de combustível TRISO embutidas em uma matriz de SiC. O uso de SiC como matriz em vez de grafite melhora a tolerância à radiação da matriz de combustível, além de aumentar a retenção de FP. O combustível composto TRISO-SiC é geralmente chamado de combustível microencapsulado totalmente cerâmico (FCM).
De acordo com o relatório da NEA, o combustível TRISO-SiC é concebido como um conceito promissor de médio prazo para substituir os atuais pellets de combustível UO2. Possui características de segurança potencialmente superiores em relação a outras formas de combustível como resultado de suas múltiplas barreiras à dispersão de FP, alta estabilidade mecânica e boa condutividade térmica. Uma baixa densidade de carregamento de material físsil é a principal questão para este conceito. A fim de aumentar a carga físsil, a combinação de enriquecimento de urânio até o limite superior prático de LEU (~ 19,7% de 235-U), aumentando a fração de volume de núcleo para partícula e fração de embalagem TRISO e aumentando o diâmetro do pino de combustível foi proposto.
O carboneto de silício é um composto cristalino de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente. Sua fórmula química é SiC. O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, aproximando-se da do diamante. Sua alta condutividade térmica, juntamente com sua resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica e resistência a reações químicas, torna o carboneto de silício valioso na fabricação de aplicações de alta temperatura e outros refratários. Na indústria nuclear, o material compósito de carboneto de silício tem sido investigado para uso como substituto do revestimento de liga de zircônio em reatores de água leve. As cerâmicas à base de carboneto de silício (SiC) e seus compósitos têm propriedades superiores de alta temperatura (HT), excelente resistência à irradiação, baixa ativação inerente e outras propriedades físicas/químicas superiores.
Referências:
Ciência dos Materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993. Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993. William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578. Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4. Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3. González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1. Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3. JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Combustível tolerante a acidentes
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Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por cargas cíclicas que resultam em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
ação simultânea do estresse cíclico,
tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Embora a fratura seja do tipo frágil, pode levar algum tempo para se propagar, dependendo tanto da intensidade quanto da frequência dos ciclos de tensão. No entanto, há muito pouco, se houver, aviso antes da falha se a rachadura não for notada. O número de ciclos necessários para causar falha por fadiga em um determinado pico de tensão é geralmente muito grande, mas diminui à medida que a tensão aumenta. Para alguns aços macios, as tensões cíclicas podem continuar indefinidamente, desde que o pico de tensão (às vezes chamado de resistência à fadiga) esteja abaixo do valor limite de resistência. Um bom exemplo de falha por fadiga é quebrar uma haste ou fio de aço fino com as mãos depois de dobrá-lo para frente e para trás várias vezes no mesmo lugar. Outro exemplo é um impulsor de bomba desequilibrado, resultando em vibrações que podem causar falha por fadiga. O tipo de fadiga mais preocupante em usinas nucleares é a fadiga térmica. A fadiga térmica pode surgir de tensões térmicas produzidas por mudanças cíclicas de temperatura. Grandes componentes como o pressurizador, o vaso do reator e a tubulação do sistema do reator estão sujeitos a tensões cíclicas causadas por variações de temperatura durante a inicialização do reator, mudança no nível de potência e desligamento.
Em usinas nucleares, os requisitos fundamentais durante o projeto e a fabricação para evitar falhas por fadiga são diferentes para casos diferentes.
Pressurizador. A pressão no circuito primário dos PWRs é mantida por um pressurizador, um vaso separado que é conectado ao circuito primário (hot leg) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por meio de eletricidade submersa aquecedores. Para um pressurizador, as variações de carga são bastante baixas, mas a frequência do ciclo é alta. Portanto, um aço de alta resistência à fadiga e de alta resistência à tração é desejável.
Vaso de pressão do reator. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade e todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão. O vaso de pressão do reator e a tubulação, ao contrário, estão sujeitos a grandes variações de carga, mas a frequência do ciclo é baixa; portanto, alta ductilidade é o principal requisito para o aço. Mangas térmicas são usadas em alguns casos, como bicos de pulverização e linhas de aumento, para minimizar tensões térmicas. Os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da planta. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a vida de fadiga da planta seja igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
Tubulação Primária. A maioria das falhas por fadiga mecânica em tubulações são resultado de vibrações que não são ocorrências incomuns. Praticamente todo sistema de tubulação que contém um fluido fluindo exibe algum grau de vibração. A causa da vibração pode ser diferente. Pulsações de pressão e movimento de equipamentos rotativos conectados estão entre as causas mais comuns de vibração em sistemas de tubulação.
Geradores de Vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de umreator nuclear. Cada gerador de vapor pode conter de 3000 a 16000 tubos, cada um com cerca de 19 mm de diâmetro. Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, medidas de emergência devem ser tomadas rapidamente e isso é feito por um sistema de introdução de água fria na carcaça do gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e a placa de tubos superaqueçam perigosamente. Para evitar choque térmico severo, especialmente no espelho Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, o sistema de alimentação de água de emergência inicia sua ação e introduz água fria no gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e o espelho superaqueçam perigosamente . Isso causa tensões significativas, especialmente no espelho.
Embora a causa primária do fenômeno de falha por fadiga não seja bem conhecida, ela aparentemente surge da formação inicial de uma pequena trinca resultante de um defeito ou deslizamento microscópico nos grãos do metal. A trinca se propaga lentamente a princípio e depois mais rapidamente quando a tensão local é aumentada devido a uma diminuição na seção transversal de suporte de carga. O metal então fratura. Falha por fadiga pode ser iniciado por rachaduras e entalhes microscópicos e até mesmo por marcas de retificação e usinagem na superfície; portanto, tais defeitos devem ser evitados em materiais submetidos a tensões (ou deformações) cíclicas. As operações da planta são realizadas de maneira controlada para mitigar os efeitos do estresse cíclico. Limitações de aquecimento e resfriamento, limitações de pressão e curvas de operação da bomba são usadas para minimizar o estresse cíclico.
Referência especial: Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
Fadiga Térmica
A fadiga térmica é um tipo específico de mecanismo de falha por fadiga que é induzido por tensões cíclicas (expansão e contração térmica) de flutuações repetitivas na temperatura (aquecimento e resfriamento) do equipamento. Este tipo de fadiga é muito importante especialmente na engenharia de energia, aeronáutica e engenharia automotiva.
Tensões térmicassurgem nos materiais quando eles são aquecidos ou resfriados. As tensões térmicas afetam a operação das instalações, tanto por causa dos grandes componentes sujeitos a tensões quanto porque são efetuadas pela maneira como a planta é operada. No resfriamento, tensões de tração residuais são produzidas se o metal for impedido de se mover (contrair) livremente. As rachaduras de fadiga podem iniciar e crescer à medida que o ciclo continua. As concentrações de tensão podem ser reduzidas por meio de alterações de projeto apropriadas que levem em consideração a expansão e a contração térmicas. Por exemplo, loops de expansão e foles em sistemas de tubulações e tubulações de temperatura elevada aproveitam esse princípio. Em usinas nucleares, os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da usina. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a planta s vida em fadiga é igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
Fadiga de alto ciclo x Fadiga de baixo ciclo
A fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo. A principal diferença entre fadiga de alto e baixo ciclo é o número de ciclos até a falha. A transição entre LCF e HCF é determinada pelo nível de tensão, ou seja, transição entre deformações plásticas e elásticas.
Fadiga de alto ciclo requer mais de 10 4 ciclos até a falha, onde a tensão é baixa e principalmente elástica.
A fadiga de baixo ciclo é caracterizada pela deformação plástica repetida (ou seja, em cada ciclo) e, portanto, o número de ciclos até a falha é baixo. Na região plástica, grandes mudanças na deformação podem ser produzidas por pequenas mudanças na tensão. Experimentos mostraram que a fadiga de baixo ciclo também é o crescimento de trincas.
Falhas por fadiga, tanto para ciclo alto quanto para ciclo baixo, seguem todas as mesmas etapas básicas do processo de iniciação de trinca, crescimento de trinca estágio I, crescimento de trinca estágio II e, finalmente, falha final.
Vida útil em fadiga – Curva SN
A American Society for Testing and Materials define a vida em fadiga, N f , como o número de ciclos de tensão de um caráter especificado que um corpo de prova sustenta antes que ocorra uma falha de uma natureza especificada. A vida em fadiga é afetada por tensões cíclicas, tensões residuais, propriedades do material, defeitos internos, tamanho do grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc. Para alguns materiais, principalmente aço e titânio, existe um valor teórico para a tensão amplitude abaixo da qual o material não falhará por qualquer número de ciclos, chamado de limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.
Os engenheiros usam vários métodos para determinar a vida à fadiga de um material. Um dos mais úteis é o método tensão-vida, comumente caracterizado por uma curva SN, também conhecida como curva de Wöhler. Este método é ilustrado na figura Ele plota a tensão aplicada (S) contra a vida útil do componente ou o número de ciclos até a falha (N). À medida que a tensão diminui de algum valor alto, a vida útil do componente aumenta lentamente no início e depois rapidamente. Como a fadiga, como a fratura frágil, tem uma natureza tão variável, os dados usados para plotar a curva serão tratados estatisticamente. A dispersão nos resultados é consequência da sensibilidade à fadiga a uma série de parâmetros de teste e material que são impossíveis de controlar com precisão.
Os seguintes termos são definidos para a curva SN:
Limite de Fadiga. O limite de fadiga (às vezes também chamado de limite de resistência) é o nível de tensão abaixo do qual a falha por fadiga não ocorre. Este limite existe apenas para algumas ligas ferrosas (à base de ferro) e de titânio, para as quais a curva S-N se torna horizontal em valores de N mais altos. Outros metais estruturais, como alumínio e cobre, não têm um limite distinto e eventualmente falharão mesmo com pequenas amplitudes de tensão. Os valores típicos do limite para aços são 1/2 do limite de resistência à tração, até um máximo de 290 MPa (42 ksi).
Força de fadiga. A ASTM define a resistência à fadiga, SNf, como o valor da tensão na qual a falha ocorre após um número especificado de ciclos (por exemplo, 107 ciclos). A 107 ciclos e o fator de concentração de tensão = 3,3.
Fadiga Vida. A vida em fadiga caracteriza o comportamento de fadiga de um material. É o número de ciclos para causar falha em um nível de tensão especificado, conforme obtido do gráfico S-N
O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas:
Iniciação de trinca, na qual uma pequena trinca se forma em algum ponto de alta concentração de tensão.
Propagação da trinca, durante a qual essa trinca avança incrementalmente a cada ciclo de tensão. A maior parte da vida à fadiga é geralmente consumida na fase de crescimento da trinca.
Falha final, que ocorre muito rapidamente quando a trinca em avanço atinge um tamanho crítico.
As trincas associadas à falha por fadiga quase sempre iniciam (ou nucleam) na superfície de um componente em algum ponto de concentração de tensão. Qualquer coisa que leve à concentração de tensões e ao desenvolvimento de trincas reduzirá a vida útil à fadiga. Portanto, aumentar o grau de acabamento da superfície, o polimento em comparação com a retificação, melhora a vida à fadiga. Aumentar a resistência e a dureza das camadas superficiais dos componentes metálicos também melhorará a resistência à fadiga.
Tensão máxima (S) versus logaritmo do número de ciclos para falha por fadiga (N) para sete ligas metálicas. As curvas foram geradas usando testes de rotação-flexão e ciclo reverso. Fonte: William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Modos de falha
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Na ciência dos materiais, falha de material é a perda da capacidade de carga de uma unidade de material. O projeto de um componente ou estrutura geralmente exige que o engenheiro minimize a possibilidade de falha. Modos de falha de materiais
Fratura frágil do US Liberty Ship Esso Manhattan
Na ciência dos materiais, falha de material é a perda da capacidade de carga de uma unidade de material. O projeto de um componente ou estrutura geralmente exige que o engenheiro minimize a possibilidade de falha. Quer gostemos ou não, vários componentes em serviço sofrem falhas (quebra ou mudança de forma) e não podem desempenhar sua função designada. As causas comuns de falha são seleção e processamento inadequado de materiais e design inadequado do componente ou seu uso indevido. causou isso. Portanto, é importante entender a mecânica dos vários modos de falha mecânica: fratura, fadiga e fluência. Além disso, esteja familiarizado com os princípios de design apropriados que podem ser empregados para evitar falhas em serviço.
A análise de falhas (FA) é um campo científico multidisciplinar, conectando áreas de engenharia de diversas formações e corpos de conhecimento. Da mecânica aplicada à eletroquímica e corrosão e da modelagem numérica, ao entendimento da ciência de superfícies e tribologia. A complexidade da natureza do assunto requer a abrangência de várias disciplinas de engenharia, para obter alto desempenho do processo e análise eficaz da causa raiz, que é o núcleo e o objetivo central do processo de investigação de falhas. A seção a seguir é dirigida à fratura simples (ambos os modos dúctil e frágil), fundamentos da mecânica da fratura, teste de tenacidade à fratura, transição dúctil para frágil, choques térmicos pressurizados, fadiga e fluência.
Fratura de Materiais. Uma fratura é a separação de um objeto ou material em duas ou mais partes sob a ação do estresse. Os engenheiros precisam entender os mecanismos de fratura. Existem fraturas (por exemplo, fratura frágil), que ocorrem sob condições específicas sem aviso prévio e podem causar grandes danos aos materiais. A fratura frágil ocorre repentina e catastroficamente sem qualquer aviso. Esta é uma consequência da propagação espontânea e rápida da trinca. No entanto, para fratura dúctil, a presença de deformação plástica alerta que a falha é iminente, permitindo que medidas preventivas sejam tomadas. Uma compreensão detalhada de como ocorre a fratura nos materiais pode ser auxiliada pelo estudo da mecânica da fratura.
Fadiga do Material. Na ciência dos materiais, fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
ação simultânea do estresse cíclico,
tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Use. Em geral, o desgaste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Uma substância em contato pode consistir em outra superfície, um fluido ou partículas duras e abrasivas contidas em alguma forma de fluido ou suspensão, como um lubrificante, por exemplo. Na maioria das aplicações tecnológicas, a ocorrência de desgaste é altamente indesejável e é um problema extremamente caro, pois leva à deterioração ou mesmo à falha de componentes. Em termos de segurança, muitas vezes não é tão grave (ou tão repentina) quanto a fratura. Isso porque o desgaste costuma ser antecipado.
Corrosão. A corrosão costuma ser um fenômeno negativo, pois está associada à falha mecânica de um objeto. Átomos de metal são removidos de um elemento estrutural até que ele falhe, ou óxidos se acumulam dentro de um tubo até que seja entupido. Todos os metais e ligas estão sujeitos à corrosão. Mesmo os metais nobres, como o ouro, estão sujeitos ao ataque corrosivo em alguns ambientes.
Rastejar. A fluência, também conhecida como fluxo frio, é a deformação permanente que aumenta com o tempo sob carga ou tensão constante. Ocorre devido à longa exposição a grandes tensões mecânicas externas com limite de escoamento e é mais severa em materiais que são submetidos ao calor por longo tempo. A fluência é um fenômeno muito importante se estivermos usando materiais em alta temperatura. A fluência é muito importante na indústria de energia e é da maior importância no projeto de motores a jato. Para muitas situações de fluência de vida relativamente curta (por exemplo, pás de turbina em aeronaves militares), o tempo de ruptura é a consideração de projeto dominante.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Metais
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A fadiga térmica é um tipo específico de mecanismo de falha por fadiga que é induzido por tensões cíclicas (expansão e contração térmica) de flutuações repetitivas na temperatura (aquecimento e resfriamento) do equipamento.
Fadiga Térmica
A fadiga térmica é um tipo específico de mecanismo de falha por fadiga que é induzido por tensões cíclicas (expansão e contração térmica) de flutuações repetitivas na temperatura (aquecimento e resfriamento) do equipamento. Este tipo de fadiga é muito importante especialmente na engenharia de energia, aeronáutica e engenharia automotiva.
Tensões térmicassurgem nos materiais quando eles são aquecidos ou resfriados. As tensões térmicas afetam a operação das instalações, tanto por causa dos grandes componentes sujeitos a tensões quanto porque são efetuadas pela maneira como a planta é operada. No resfriamento, tensões de tração residuais são produzidas se o metal for impedido de se mover (contrair) livremente. As rachaduras de fadiga podem iniciar e crescer à medida que o ciclo continua. As concentrações de tensão podem ser reduzidas por meio de alterações de projeto apropriadas que levem em consideração a expansão e a contração térmicas. Por exemplo, loops de expansão e foles em sistemas de tubulações e tubulações de temperatura elevada aproveitam esse princípio. Em usinas nucleares, os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da usina. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a planta s vida em fadiga é igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
Em usinas nucleares, os requisitos fundamentais durante o projeto e a fabricação para evitar falhas por fadiga são diferentes para casos diferentes.
Pressurizador. A pressão no circuito primário dos PWRs é mantida por um pressurizador, um vaso separado que é conectado ao circuito primário (hot leg) e parcialmente preenchido com água que é aquecida até a temperatura de saturação (ponto de ebulição) para a pressão desejada por meio de eletricidade submersa aquecedores. Para um pressurizador, as variações de carga são bastante baixas, mas a frequência do ciclo é alta. Portanto, um aço de alta resistência à fadiga e de alta resistência à tração é desejável.
Vaso de pressão do reator. O corpo do vaso do reator é construído em aço carbono de baixa liga de alta qualidade e todas as superfícies que entram em contato com o refrigerante do reator são revestidas com um mínimo de cerca de 3 a 10 mm de aço inoxidável austenítico para minimizar a corrosão. O vaso de pressão do reator e a tubulação, ao contrário, estão sujeitos a grandes variações de carga, mas a frequência do ciclo é baixa; portanto, alta ductilidade é o principal requisito para o aço. Mangas térmicas são usadas em alguns casos, como bicos de pulverização e linhas de aumento, para minimizar tensões térmicas. Os limites de taxa de aquecimento e esfriamento são baseados no impacto na futura vida de fadiga da planta. Os limites de aquecimento e resfriamento garantem que a vida de fadiga da planta seja igual ou maior que a vida operacional da planta. Além disso, as modificações do projeto da planta incluem, por exemplo, o aquecimento dos tanques ou reservatórios de água do Sistema de Resfriamento Central de Emergência (ECCS) para reduzir a diferença de temperatura entre a água injetada e o material do RPV.
Tubulação Primária. A maioria das falhas por fadiga mecânica em tubulações são resultado de vibrações que não são ocorrências incomuns. Praticamente todo sistema de tubulação que contém um fluido fluindo exibe algum grau de vibração. A causa da vibração pode ser diferente. Pulsações de pressão e movimento de equipamentos rotativos conectados estão entre as causas mais comuns de vibração em sistemas de tubulação.
Geradores de Vapor. Geradores de vapor são trocadores de calor usados para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de umreator nuclear. Cada gerador de vapor pode conter de 3000 a 16000 tubos, cada um com cerca de 19 mm de diâmetro. Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, medidas de emergência devem ser tomadas rapidamente e isso é feito por um sistema de introdução de água fria na carcaça do gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e a placa de tubos superaqueçam perigosamente. Para evitar choque térmico severo, especialmente no espelho Se o fornecimento de água de alimentação do gerador de vapor falhar por qualquer motivo, o sistema de alimentação de água de emergência inicia sua ação e introduz água fria no gerador de vapor para evitar que o feixe de tubos e o espelho superaqueçam perigosamente. Isso causa tensões significativas, especialmente no espelho.
Embora a causa primária do fenômeno de falha por fadiga não seja bem conhecida, ela aparentemente surge da formação inicial de uma pequena trinca resultante de um defeito ou deslizamento microscópico nos grãos do metal. A trinca se propaga lentamente a princípio e depois mais rapidamente quando a tensão local é aumentada devido a uma diminuição na seção transversal de suporte de carga. O metal então fratura. Falha por fadiga pode ser iniciado por rachaduras e entalhes microscópicos e até mesmo por marcas de retificação e usinagem na superfície; portanto, tais defeitos devem ser evitados em materiais submetidos a tensões (ou deformações) cíclicas. As operações da planta são realizadas de maneira controlada para mitigar os efeitos do estresse cíclico. Limitações de aquecimento e resfriamento, limitações de pressão e curvas de operação da bomba são usadas para minimizar o estresse cíclico.
Referência especial: Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Fadiga
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A análise de falhas (FA) é um campo científico multidisciplinar, conectando áreas de engenharia de diversas formações e corpos de conhecimento. Da mecânica aplicada à eletroquímica e corrosão e da modelagem numérica ao entendimento da ciência de superfície e tribologia.
A análise de falhas (FA) é um campo científico multidisciplinar, conectando áreas de engenharia de diversas formações e corpos de conhecimento. Da mecânica aplicada à eletroquímica e corrosão e da modelagem numérica, ao entendimento da ciência de superfícies e tribologia. A complexidade da natureza do assunto requer a abrangência de várias disciplinas de engenharia, para obter alto desempenho do processo e análise eficaz da causa raiz, que é o núcleo e o objetivo central do processo de investigação de falhas. A seção a seguir é dirigida à fratura simples (ambos os modos dúctil e frágil), fundamentos da mecânica da fratura, teste de tenacidade à fratura, transição dúctil para frágil, choques térmicos pressurizados, fadiga e fluência.
Fratura de Materiais. Uma fratura é a separação de um objeto ou material em duas ou mais partes sob a ação do estresse. Os engenheiros precisam entender os mecanismos de fratura. Existem fraturas (por exemplo, fratura frágil), que ocorrem sob condições específicas sem aviso prévio e podem causar grandes danos aos materiais. A fratura frágil ocorre repentina e catastroficamente sem qualquer aviso. Esta é uma consequência da propagação espontânea e rápida da trinca. No entanto, para fratura dúctil, a presença de deformação plástica alerta que a falha é iminente, permitindo que medidas preventivas sejam tomadas. Uma compreensão detalhada de como ocorre a fratura nos materiais pode ser auxiliada pelo estudo da mecânica da fratura.
Fadiga do Material. Na ciência dos materiais, fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
ação simultânea do estresse cíclico,
tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Use. Em geral, o desgaste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Uma substância em contato pode consistir em outra superfície, um fluido ou partículas duras e abrasivas contidas em alguma forma de fluido ou suspensão, como um lubrificante, por exemplo. Na maioria das aplicações tecnológicas, a ocorrência de desgaste é altamente indesejável e é um problema extremamente caro, pois leva à deterioração ou mesmo à falha de componentes. Em termos de segurança, muitas vezes não é tão grave (ou tão repentina) quanto a fratura. Isso porque o desgaste costuma ser antecipado.
Corrosão. A corrosão costuma ser um fenômeno negativo, pois está associada à falha mecânica de um objeto. Átomos de metal são removidos de um elemento estrutural até que ele falhe, ou óxidos se acumulam dentro de um tubo até que seja entupido. Todos os metais e ligas estão sujeitos à corrosão. Mesmo os metais nobres, como o ouro, estão sujeitos ao ataque corrosivo em alguns ambientes.
Rastejar. A fluência, também conhecida como fluxo frio, é a deformação permanente que aumenta com o tempo sob carga ou tensão constante. Ocorre devido à longa exposição a grandes tensões mecânicas externas com limite de escoamento e é mais severa em materiais que são submetidos ao calor por longo tempo. A fluência é um fenômeno muito importante se estivermos usando materiais em alta temperatura. A fluência é muito importante na indústria de energia e é da maior importância no projeto de motores a jato. Para muitas situações de fluência de vida relativamente curta (por exemplo, pás de turbina em aeronaves militares), o tempo de ruptura é a consideração de projeto dominante.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Modos de falha
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A curva SN, também conhecida como curva de Wöhler, representa a tensão aplicada (S) em relação à vida útil do componente ou número de ciclos até a falha (N). Engenheiros usam este método para determinar a vida de fadiga de um material.
Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
ação simultânea do estresse cíclico,
tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Embora a fratura seja do tipo frágil, pode levar algum tempo para se propagar, dependendo tanto da intensidade quanto da frequência dos ciclos de tensão. No entanto, há muito pouco, se houver, aviso antes da falha se a rachadura não for notada. O número de ciclos necessários para causar falha por fadiga em um determinado pico de tensão é geralmente muito grande, mas diminui à medida que a tensão aumenta. Para alguns aços macios, as tensões cíclicas podem continuar indefinidamente, desde que o pico de tensão (às vezes chamado de resistência à fadiga) esteja abaixo do valor limite de resistência. Um bom exemplo de falha por fadiga é quebrar uma haste ou fio de aço fino com as mãos depois de dobrá-lo para frente e para trás várias vezes no mesmo lugar. Outro exemplo é um impulsor de bomba desequilibrado, resultando em vibrações que podem causar falha por fadiga. O tipo de fadiga mais preocupante em usinas nucleares é a fadiga térmica. A fadiga térmica pode surgir de tensões térmicas produzidas por mudanças cíclicas de temperatura. Grandes componentes como o pressurizador, o vaso do reator e a tubulação do sistema do reator estão sujeitos a tensões cíclicas causadas por variações de temperatura durante a inicialização do reator, mudança no nível de potência e desligamento.
Vida útil em fadiga – Curva SN
A American Society for Testing and Materials define a vida em fadiga, N f , como o número de ciclos de tensão de um caráter especificado que um corpo de prova sustenta antes que ocorra uma falha de uma natureza especificada. A vida em fadiga é afetada por tensões cíclicas, tensões residuais, propriedades do material, defeitos internos, tamanho do grão, temperatura, geometria do projeto, qualidade da superfície, oxidação, corrosão, etc. Para alguns materiais, principalmente aço e titânio, existe um valor teórico para a tensão amplitude abaixo da qual o material não falhará por qualquer número de ciclos, chamado de limite de fadiga, limite de resistência ou resistência à fadiga.
Os engenheiros usam vários métodos para determinar a vida à fadiga de um material. Um dos mais úteis é o método tensão-vida, comumente caracterizado por uma curva SN, também conhecida como curva de Wöhler. Este método é ilustrado na figura. Ele plota a tensão aplicada (S) contra a vida útil do componente ou o número de ciclos até a falha (N). À medida que a tensão diminui de algum valor alto, a vida útil do componente aumenta lentamente no início e depois rapidamente. Como a fadiga, como a fratura frágil, tem uma natureza tão variável, os dados usados para plotar a curva serão tratados estatisticamente. A dispersão nos resultados é consequência da sensibilidade à fadiga a uma série de parâmetros de teste e material que são impossíveis de controlar com precisão.
Os seguintes termos são definidos para a curva SN:
Limite de Fadiga. O limite de fadiga (às vezes também chamado de limite de resistência) é o nível de tensão abaixo do qual a falha por fadiga não ocorre. Este limite existe apenas para algumas ligas ferrosas (à base de ferro) e de titânio, para as quais a curva S-N se torna horizontal em valores de N mais altos. Outros metais estruturais, como alumínio e cobre, não têm um limite distinto e eventualmente falharão mesmo com pequenas amplitudes de tensão. Os valores típicos do limite para aços são 1/2 do limite de resistência à tração, até um máximo de 290 MPa (42 ksi).
Força de fadiga. A ASTM define a resistência à fadiga, SNf, como o valor da tensão na qual a falha ocorre após um número especificado de ciclos (por exemplo, 107 ciclos). A 107 ciclos e o fator de concentração de tensão = 3,3.
Fadiga Vida. A vida em fadiga caracteriza o comportamento de fadiga de um material. É o número de ciclos para causar falha em um nível de tensão especificado, conforme obtido do gráfico S-N
O processo de falha por fadiga é caracterizado por três etapas distintas:
Iniciação de trinca, na qual uma pequena trinca se forma em algum ponto de alta concentração de tensão.
Propagação da trinca, durante a qual essa trinca avança incrementalmente a cada ciclo de tensão. A maior parte da vida à fadiga é geralmente consumida na fase de crescimento da trinca.
Falha final, que ocorre muito rapidamente quando a trinca em avanço atinge um tamanho crítico.
As trincas associadas à falha por fadiga quase sempre iniciam (ou nucleam) na superfície de um componente em algum ponto de concentração de tensão. Qualquer coisa que leve à concentração de tensões e ao desenvolvimento de trincas reduzirá a vida útil à fadiga. Portanto, aumentar o grau de acabamento da superfície, o polimento em comparação com a retificação, melhora a vida à fadiga. Aumentar a resistência e a dureza das camadas superficiais dos componentes metálicos também melhorará a resistência à fadiga.
Tensão máxima (S) versus logaritmo do número de ciclos para falha por fadiga (N) para sete ligas metálicas. As curvas foram geradas usando testes de rotação-flexão e ciclo reverso. Fonte: William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Fadiga de alto ciclo x Fadiga de baixo ciclo
A fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo. A principal diferença entre fadiga de alto e baixo ciclo é o número de ciclos até a falha. A transição entre LCF e HCF é determinada pelo nível de tensão, ou seja, transição entre deformações plásticas e elásticas.
Fadiga de alto ciclo requer mais de 104 ciclos até a falha, onde a tensão é baixa e principalmente elástica.
A fadiga de baixo ciclo é caracterizada pela deformação plástica repetida (ou seja, em cada ciclo) e, portanto, o número de ciclos até a falha é baixo. Na região plástica, grandes mudanças na deformação podem ser produzidas por pequenas mudanças na tensão. Experimentos mostraram que a fadiga de baixo ciclo também é o crescimento de trincas.
Falhas por fadiga, tanto para ciclo alto quanto para ciclo baixo, seguem todas as mesmas etapas básicas do processo de iniciação de trinca, crescimento de trinca estágio I, crescimento de trinca estágio II e, finalmente, falha final.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Fadiga
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A fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo. A principal diferença entre fadiga de alto e baixo ciclo é o número de ciclos até a falha. A transição entre LCF e HCF é determinada pelo nível de tensão, ou seja, transição entre deformações plásticas e elásticas.
Na ciência dos materiais, a fadiga é o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. O dano por fadiga é causado por:
ação simultânea do estresse cíclico,
tensão de tração (seja aplicada diretamente ou residual),
tensão plástica.
Se qualquer um desses três não estiver presente, uma trinca de fadiga não será iniciada e propagada. A maioria das falhas de engenharia são causadas por fadiga.
Fadiga de alto ciclo x Fadiga de baixo ciclo
A fadiga foi separada em regiões de fadiga de alto ciclo e fadiga de baixo ciclo. A principal diferença entre fadiga de alto e baixo ciclo é o número de ciclos até a falha. A transição entre LCF e HCF é determinada pelo nível de tensão, ou seja, transição entre deformações plásticas e elásticas.
Fadiga de alto ciclo requer mais de 10 4 ciclos até a falha, onde a tensão é baixa e principalmente elástica.
A fadiga de baixo ciclo é caracterizada pela deformação plástica repetida (ou seja, em cada ciclo) e, portanto, o número de ciclos até a falha é baixo. Na região plástica, grandes mudanças na deformação podem ser produzidas por pequenas mudanças na tensão. Experimentos mostraram que a fadiga de baixo ciclo também é o crescimento de trincas.
Falhas por fadiga, tanto para ciclo alto quanto para ciclo baixo, seguem todas as mesmas etapas básicas do processo de iniciação de trinca, crescimento de trinca estágio I, crescimento de trinca estágio II e, finalmente, falha final.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
Gaskell, David R. (1995). Introdução à Termodinâmica dos Materiais (4ª ed.). Editora Taylor e Francis. ISBN 978-1-56032-992-3.
González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Fadiga
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Em geral, o desgaste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato.
Em geral, veste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Uma substância em contato pode consistir em outra superfície, um fluido ou partículas duras e abrasivas contidas em alguma forma de fluido ou suspensão, como um lubrificante, por exemplo. Assim como acontece com o atrito, a presença de desgaste pode ser boa ou ruim. O desgaste produtivo e controlado pode ser encontrado em processos como usinagem, corte, retificação e polimento. No entanto, na maioria das aplicações tecnológicas, a ocorrência de desgaste é altamente indesejável e é um problema extremamente caro, pois leva à deterioração ou mesmo à falha de componentes. Em termos de segurança, muitas vezes não é tão grave (ou tão repentina) quanto a fratura. Isso porque o desgaste costuma ser antecipado.
Certas características do material, como dureza, tipo de carboneto e porcentagem de volume, podem ter um impacto decisivo na resistência ao desgaste de um material em uma determinada aplicação. O desgaste, como a corrosão, tem vários tipos e subtipos, é previsível até certo ponto e é bastante difícil de testar e avaliar de forma confiável no laboratório ou em serviço.
Tribologia
A tribologia é a ciência interdisciplinar da interação de superfícies em movimento relativo. A tribologia inclui o estudo e a aplicação dos princípios de fricção, lubrificação e desgaste sob carga aplicada. A operação eficiente e o desempenho robusto desses componentes da máquina são altamente dependentes da tribologia. Controlar o atrito ajuda a reduzir a perda de energia e melhorar a eficiência e a vida útil das máquinas. O desgaste do material de uma superfície pode levar a danos graves e falha do componente e/ou da máquina. A abordagem mais comum para reduzir o atrito e minimizar o desgaste e falhas catastróficas dos componentes da máquina ou da própria máquina é por meio de uma seleção adequada de materiais e lubrificantes. Na maioria dos componentes da máquina, os lubrificantes são usados para reduzir o atrito e evitar o desgaste.
Dureza da Superfície e Resistência ao Desgaste
A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza. Se a dureza do material for maior que a do material abrasivo, ocorrerá menor taxa de desgaste.
O endurecimento da caixa ou endurecimento da superfície é o processo no qual a dureza da superfície (caixa) de um objeto é aprimorada, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. Após esse processo, a dureza da superfície, a resistência ao desgaste e a vida útil à fadiga são aprimoradas. Isso é realizado por vários processos, como um processo de carburação ou nitretação, pelo qual um componente é exposto a uma atmosfera carbonácea ou nitrogenada em temperatura elevada. Como foi escrito, duas características principais do material são influenciadas:
Dureza e resistência ao desgaste são significativamente melhoradas. Na ciência dos materiais, a dureza é a capacidade de resistir à indentação da superfície (deformação plástica localizada) e arranhões. A dureza é provavelmente a propriedade do material menos definida porque pode indicar resistência a arranhões, resistência à abrasão, resistência à indentação ou mesmo resistência à modelagem ou deformação plástica localizada. A dureza é importante do ponto de vista da engenharia porque a resistência ao desgaste por fricção ou erosão por vapor, óleo e água geralmente aumenta com a dureza.
A tenacidade não é influenciada negativamente. Tenacidade é a capacidade de um material de absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar. Uma definição de tenacidade (para alta taxa de deformação, tenacidade à fratura) é que é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fratura quando uma trinca (ou outro defeito de concentração de tensão) está presente.
Para ferro ou aço com baixo teor de carbono, que tem baixa ou nenhuma temperabilidade própria, o processo de endurecimento envolve a infusão de carbono ou nitrogênio adicional na camada superficial. O endurecimento da caixa é útil em peças como um came ou engrenagem de anel que deve ter uma superfície muito dura para resistir ao desgaste, juntamente com um interior resistente para resistir ao impacto que ocorre durante a operação. Além disso, o endurecimento superficial do aço tem uma vantagem sobre o endurecimento direto (isto é, o endurecimento uniforme do metal em toda a peça), porque os aços de baixo e médio carbono, menos caros, podem ser endurecidos superficialmente sem os problemas de distorção e rachaduras associados ao endurecimento. através do endurecimento de seções espessas. Uma camada de superfície externa rica em carbono ou nitrogênio (ou caso) é introduzido por difusão atômica da fase gasosa. A caixa tem normalmente cerca de 1 mm de profundidade e é mais dura do que o núcleo interno do material.
Coeficiente de Desgaste
O desgaste pode ser quantificado (correlacionado) por meio da taxa de desgaste, definida como a massa ou volume de material removido por unidade de distância de deslizamento. Geralmente é expresso em termos de coeficiente de desgaste adimensional (K) ou como taxa de desgaste específica (volume de desgaste por unidade de carga normal aplicada por unidade de distância de deslizamento) em (mm3 *Nm-1).
A equação de desgaste mais comumente usada para a condição de deslizamento-laminação a seco é a equação de desgaste de Archard. O volume de desgaste (V), para distância unitária de deslizamento (S) é igual ao coeficiente de desgaste adimensional (K) multiplicado pela carga aplicada (Fn) dividido pela dureza do material desgastado.
Tipos de desgaste
O desgaste é comumente classificado de acordo com os chamados tipos de desgaste, que ocorrem isoladamente ou em interação complexa. Mecanismos de desgaste e/ou submecanismos frequentemente se sobrepõem e ocorrem de maneira sinérgica, produzindo uma taxa de desgaste maior do que a soma dos mecanismos de desgaste individuais. Os tipos de desgaste mais comuns são:
O desgaste abrasivo é definido como a perda de material devido a partículas duras ou protuberâncias duras que são forçadas e se movem ao longo de uma superfície sólida. Ocorre quando uma superfície dura e áspera desliza sobre uma superfície mais macia. Este mecanismo é algumas vezes referido como desgaste por retificação. O material mais duro pode ser uma das superfícies de atrito ou partículas duras que encontraram seu caminho entre as superfícies de contato. Estas podem ser partículas “estranhas” ou partículas resultantes do desgaste por adesivo ou delaminação. A abrasão envolve principalmente processos de corte e aração em microescala. A maneira como uma aspereza desliza sobre uma superfície determina a natureza e a intensidade do desgaste abrasivo. Existem dois modos básicos de desgaste abrasivo:
Desgaste abrasivo de dois corpos. O desgaste de dois corpos ocorre quando os grãos ou partículas duras removem o material da superfície oposta. A analogia comum é a do material sendo removido ou deslocado por uma operação de corte ou aração.
Desgaste abrasivo de três corpos. O desgaste de três corpos ocorre quando as partículas não são restritas e estão livres para rolar e deslizar sobre uma superfície. O ambiente de contato determina se o desgaste é classificado como aberto ou fechado. Um ambiente de contato aberto ocorre quando as superfícies são suficientemente deslocadas para serem independentes umas das outras.
Existem várias estratégias diferentes para mitigar o desgaste abrasivo, mas a regra geral para a seleção de materiais é: quanto mais duro, melhor. Materiais que contêm uma porcentagem relativamente grande de carbonetos de liga duros e resistentes ao desgaste, como aços para ferramentas selecionados e aços rápidos.
Desgaste adesivo
O desgaste adesivo é originado pela união de asperezas ou pontos altos microscópicos (rugosidade superficial) entre dois materiais deslizantes. Quando um pico de uma superfície entra em contato com um pico de outra superfície, pode ocorrer uma microssoldagem instantânea devido ao calor gerado pelo atrito resultante. Isso resulta em desprendimento ou transferência de material de uma superfície para outra. Para que ocorra o desgaste adesivo é necessário que as superfícies estejam em íntimo contato umas com as outras. Isso pode causar deslocamento indesejado e fixação de detritos de desgaste e compostos de material de uma superfície para outra. Desgaste adesivo pode levar a um aumento da rugosidade e à criação de saliências (ou seja, protuberâncias) acima da superfície original. Superfícies que são mantidas separadas por películas lubrificantes, películas de óxido, etc. reduzem a tendência de ocorrência de adesão. Em algumas aplicações de engenharia, as superfícies deslizam no ar ou sem lubrificante e o desgaste resultante é denominado deslizamento seco.
O desgaste adesivo depende dos materiais envolvidos, do grau de lubrificação fornecido e do ambiente. A lubrificação adequada permite uma operação suave e contínua dos elementos da máquina, reduz a taxa de desgaste e evita tensões excessivas ou engripamentos nos rolamentos. Quando a lubrificação falha, os componentes podem se esfregar de forma destrutiva uns contra os outros, causando calor, solda local, danos destrutivos e falhas. Por exemplo, aços inoxidáveis austeníticos (por exemplo, AISI 304) deslizando contra si mesmos têm grande probabilidade de transferir material e escoriações, resultando em graves danos à superfície. Outros materiais que são propensos ao desgaste adesivo incluem titânio, níquel e zircônio. Por outro lado, bronze de alumínioencontrou crescente reconhecimento para uma ampla variedade de aplicações que requerem resistência ao desgaste mecânico. Sua resistência ao desgaste é baseada na transferência do metal mais macio (bronze de alumínio) para o metal mais duro (aço) e na formação de uma fina camada de metal mais macio no metal mais duro.
Por exemplo, a principal função do óleo do motor é reduzir o atrito e o desgaste das partes móveis (para reduzir o desgaste adesivo) e limpar o motor do lodo, enquanto um filtro é projetado para remover contaminantes e partículas abrasivas do óleo do motor.
Desgaste por erosão
O desgaste por erosão é um processo de remoção progressiva de material de uma superfície alvo devido a impactos repetidos de partículas sólidas. As partículas suspensas no fluxo da mistura sólido-líquido erodem as passagens molhadas limitando a vida útil dos equipamentos utilizados no sistema de transporte de polpa. Cada partícula corta ou fratura uma pequena quantidade de material (referido como lascas de desgaste ) da superfície. Se isso for repetido por um longo período de tempo, pode ocorrer uma quantidade significativa de perda de material.
O desgaste erosivo é comum em bombas e impulsores, ventiladores, linhas de vapor e bocais, no interior de curvas fechadas em tubos e tubulações. Portanto, é um mecanismo amplamente encontrado na indústria e na engenharia de energia. Devido à natureza do processo de transporte, os sistemas de tubulação são propensos a desgaste quando partículas abrasivas precisam ser transportadas.
O desgaste por erosão é causado pela energia cinética transferida para a superfície alvo pela colisão de partículas sólidas. A taxa de desgaste erosivo depende de vários fatores. As características materiais das partículas, como sua forma, dureza, velocidade de impacto e ângulo de impacto são fatores primários junto com as propriedades da superfície que está sendo erodida. A perda de material do material alvo é maior para maior energia cinética da partícula incidente. Portanto, a velocidade de impacto afeta amplamente o desgaste por erosão do material alvo. O ângulo de impacto é um dos fatores mais importantes e amplamente reconhecido na literatura. Curvas ou dobras acentuadas tendem a produzir mais erosão do que curvas suaves.
O desgaste por erosão pode ser classificado em três categorias:
Erosão de partículas sólidas. A erosão de partículas sólidas é a perda de volume de material do material alvo devido ao impacto contínuo de partículas sólidas presentes no fluido que flui.
Erosão por impacto líquido. O impacto contínuo do jato de líquido na superfície do material causa erosão por impacto do líquido.
Erosão por cavitações. Quando o vapor ou gás em um líquido forma cavidades ou bolhas que causam desgaste.
Em geral, a resistência ao desgaste erosivo pode ser melhorada pelo aumento da dureza da superfície, por materiais adequados e design adequado do produto. Algumas etapas específicas que podem ser tomadas para alterar as condições de fluxo incluem: reduzir a velocidade do fluido, eliminar a turbulência nos desalinhamentos e evitar curvas acentuadas.
Erosão – Corrosão
A erosão também pode ocorrer em combinação com outras formas de degradação, como a corrosão. Isso é conhecido como erosão-corrosão. A corrosão por erosão é um processo de degradação do material devido ao efeito combinado de corrosão e desgaste. Quase todos os meios corrosivos fluidos ou turbulentos podem causar corrosão por erosão. O mecanismo pode ser descrito da seguinte forma:
erosão mecânica do material, ou camada protetora (ou passiva) de óxido em sua superfície,
corrosão aumentada do material, se a taxa de corrosão do material depender da espessura da camada de óxido.
O desgaste é um processo mecânico de degradação do material que ocorre em superfícies de fricção ou impacto, enquanto a corrosão envolve reações químicas ou eletroquímicas do material. A corrosão pode acelerar o desgaste e o desgaste pode acelerar a corrosão.
Desgaste
O desgaste por atrito é um processo especial de desgaste que ocorre na área de contato entre dois materiais sob carga e sujeitos a um movimento relativo minúsculo por vibração ou alguma outra força. O desgaste por atrito é semelhante ao desgaste adesivo nessa microssoldagem ocorre em superfícies de contato. No desgaste adesivo, no entanto, os metais de revestimento deslizam um sobre o outro, enquanto no desgaste por atrito as interfaces metal-metal são essencialmente estacionárias. A amplitude do movimento de deslizamento relativo é frequentemente da ordem de micrômetros a milímetros. Como o desgaste por atrito é essencialmente um fenômeno estacionário, os detritos são retidos nos locais onde foram formados originalmente ou próximos a eles. Esses detritos geralmente consistem em óxidos dos metais em contato. Como os detritos oxidados geralmente são muito mais duros do que as superfícies de onde vieram, eles geralmente atuam como um agente abrasivo que aumenta a taxa de atrito. O desgaste por atrito ocorre normalmente em rolamentos, embora a maioria dos rolamentos tenha suas superfícies endurecidas para resistir ao problema.
A mitigação da preocupação é baseada nas seguintes medidas:
Reduza ou elimine a vibração. A maneira fundamental de evitar o atrito é projetar para nenhum movimento relativo das superfícies no contato
Uso de um material elastomérico para evitar o contato de metal com metal.
Lubrificação. O problema aqui é que, como a junta é essencialmente estacionária, o lubrificante líquido não pode fluir pela interface.
Desgaste de Detritos – Desgaste da grade para a haste
Em usinas nucleares, o revestimento de combustível é a camada externa das varetas de combustível, posicionada entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear(ou seja, pastilhas de combustível). É feito de um material resistente à corrosão com seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0,18 × 10–24 cm2), geralmente liga de zircônio. O revestimento evita que os produtos da fissão radioativa escapem da matriz de combustível para o refrigerante do reator e o contaminem. Nas primeiras datas das operações PWR e BWR, o desgaste era um dos principais mecanismos de falha desse revestimento de combustível. Tem normalmente duas variantes.
Preocupação com detritos. A fricção de detritos pode ser causada por qualquer detrito (material estranho – geralmente metálico) que pode entrar no feixe de combustível e que tem o potencial de se alojar entre a grade do espaçador e uma vareta de combustível. O desgaste por atrito do revestimento de combustível pode resultar na penetração do revestimento.
Fretting grade-para-haste. O atrito grade-a-haste surge da vibração do elemento combustível gerada pela alta velocidade do refrigerante através da grade de espaçamento. As grades espaçadoras são soldadas nos tubos guia e garantem, por meio de molas e reentrâncias, o suporte da vareta combustível e o espaçamento. A alta velocidade do refrigerante pode fazer com que a haste esfregue contra a parte da grade do espaçador que a segura. Este tipo de desgaste do revestimento pode ser minimizado pelo projeto adequado da grade de espaçamento. O jateamento defletor geralmente é agrupado sob o desgaste grade-a-haste.
Veja também: AIEA, Revisão de falhas de combustível em reatores refrigerados a água. Nº NF-T-2.1. ISBN 978–92–0–102610–1, Viena, 2010.
Fadiga de Superfície – Desgaste por Fadiga
Na ciência dos materiais, a fadigaé o enfraquecimento de um material causado por carregamento cíclico que resulta em danos estruturais progressivos, quebradiços e localizados. A fadiga superficial, ou desgaste por fadiga, é a trinca e subseqüente corrosão de superfícies submetidas a tensões alternadas durante o contato de rolagem ou as tensões de rolagem e deslizamento combinados. O desgaste por fadiga é produzido quando as partículas de desgaste são destacadas pelo crescimento cíclico de microfissuras na superfície. Essas microfissuras são trincas superficiais ou trincas subsuperficiais. Os repetidos ciclos de carregamento e descarregamento a que os materiais são expostos podem induzir a formação de trincas subsuperficiais ou superficiais, que eventualmente, após um número crítico de ciclos, resultarão no rompimento da superfície com a formação de grandes fragmentos, deixando grandes pites na superfície. Uma vez iniciada a trinca, cada ciclo de carregamento aumentará a trinca em uma pequena quantidade, mesmo quando repetidas tensões alternadas ou cíclicas são de uma intensidade consideravelmente abaixo da resistência normal. As tensões podem ser devidas a vibração ou ciclagem térmica. As fadigas subsuperficiais e superficiais são observadas durante rolamentos e deslizamentos repetidos, respectivamente.
Desgaste corrosivo e oxidativo
O desgaste corrosivo é um processo de degradação do material devido ao efeito combinado de corrosão e desgaste. É definido como o processo de desgaste no qual o deslizamento ocorre em um ambiente corrosivo. Na ausência de deslizamento, os produtos da corrosão (p. , para que mais corrosão possa continuar. O desgaste por oxidação é uma das formas mais comuns de desgaste corrosivo, porque um ambiente rico em oxigênio é um ambiente típico em que esse processo de desgaste ocorre. O desgaste corrosivo requer corrosão e fricção. A corrosão química ocorre em um ambiente altamente corrosivo e em ambientes de alta temperatura e alta umidade.
Erosão – Corrosão
A erosão também pode ocorrer em combinação com outras formas de degradação, como a corrosão. Isso é conhecido como erosão-corrosão. A corrosão por erosão é um processo de degradação do material devido ao efeito combinado de corrosão e desgaste. Quase todos os meios corrosivos fluidos ou turbulentos podem causar corrosão por erosão. O mecanismo pode ser descrito da seguinte forma:
erosão mecânica do material, ou camada protetora (ou passiva) de óxido em sua superfície,
corrosão aumentada do material, se a taxa de corrosão do material depender da espessura da camada de óxido.
O desgaste é um processo mecânico de degradação do material que ocorre em superfícies de fricção ou impacto, enquanto a corrosão envolve reações químicas ou eletroquímicas do material. A corrosão pode acelerar o desgaste e o desgaste pode acelerar a corrosão.
Desgaste de impacto
O desgaste por impacto é definido como o desgaste de uma superfície sólida devido à percussão, que é a exposição repetitiva ao contato dinâmico de outro corpo sólido. O desgaste por impacto é o mais importante na mineração e no processamento de minerais. Mineração e processamento mineral exigem máquinas e componentes resistentes ao desgaste, porque as energias e massas dos corpos em interação são significativas. Para isso, devem ser usados materiais com a maior resistência ao desgaste. Por exemplo, o carboneto de tungstênio é usado extensivamente na mineração em brocas de perfuração de rocha, martelos de fundo de poço, cortadores de rolos, cinzéis de arado de parede longa, picaretas de corte de parede longa, alargadores de perfuração ascendente e máquinas de perfuração de túneis.
Para pares de impacto de metal, o comportamento do desgaste por impacto envolve deformação elástica e plástica quando a carga de impacto ou energia de impacto é alta e/ou fadiga acompanhada por liberação de detritos de desgaste devido à formação de trincas. Em geral, o desgaste por impacto de metais é dependente da formação de camadas deformadas, principalmente quando o desgaste por fadiga ou formação de trincas é predominante. Nesses casos, as trincas subsuperficiais se estendem paralelamente à superfície de maneira muito semelhante ao desgaste por delaminação. Dureza suficiente do componente impactado é necessária para evitar desgaste rápido ou extrusão de material do contato por deformação plástica. Na maioria das situações, essa condição pode ser atendida garantindo uma dureza adequada e, em seguida, o desgaste é controlado por outras características do material.
Desgaste por cavitação
O desgaste por cavitação é um processo de degradação progressiva do material devido à nucleação repetida, crescimento e colapso violento de cavidades em um líquido que flui próximo ao material. A fadiga por cavitação é um tipo específico de mecanismo de dano causado por vibração e movimento repetidos devido ao contato com líquidos em fluxo, sendo a água o fluido mais comum. A cavitação é, em muitos casos, uma ocorrência indesejável. Nas bombas centrífugas, a cavitação causa danos aos componentes (erosão do material), vibrações, ruídos e perda de eficiência.
Fonte: Wikipédia, a enciclopédia livre
Talvez o problema de engenharia mais importante causado pela cavitação seja o dano material que as bolhas de cavitação podem causar quando colapsam nas proximidades de uma superfície sólida. O colapso das bolhas de cavitação é um processo violento que gera ondas de choque e microjatos altamente localizados. Eles forçam o líquido energético em volumes muito pequenos, criando assim pontos de alta temperatura e essas intensas perturbações geram tensões de superfície transitórias altamente localizadas em uma superfície sólida. Sinais de erosão aparecerão como corrosão devido à ação do golpe de aríete das bolhas de vapor em colapso. Verificou-se que as taxas de danos por cavitação aumentam rapidamente com o aumento da vazão volumétrica.
Materiais mais macios podem ser danificados mesmo pela ocorrência de cavitação a curto prazo. Poços individuais podem ser observados após o colapso de uma única bolha. Portanto, materiais mais duros são usados para bombas centrífugas. Mas com os materiais mais duros usados na maioria das aplicações, a tensão cíclica devido a colapsos repetidos pode causar falha local por fadiga superficial. Assim, os danos causados por cavitação em metais geralmente têm a aparência de falha por fadiga.
Quando as bolhas de cavitação colapsam, elas forçam o líquido energético a volumes muito pequenos, criando pontos de alta temperatura e emitindo ondas de choque, sendo estas últimas uma fonte de ruído. Embora o colapso de uma pequena cavidade seja um evento de energia relativamente baixa, colapsos altamente localizados podem corroer metais, como o aço, ao longo do tempo. A corrosão causada pelo colapso das cavidades produz grande desgaste nos componentes e pode reduzir drasticamente a vida útil de uma hélice ou bomba.
A cavitação é geralmente acompanhada também por:
Barulho. O ruído típico é causado por cavidades colapsadas. O nível de ruído resultante da cavitação é uma medida da gravidade da cavitação.
Vibração. As vibrações da bomba devido à cavitação são caracteristicamente vibrações de baixa frequência, geralmente encontradas na faixa de 0 a 10 Hz.
Redução da eficiência da bomba. Uma diminuição na eficiência da bomba é um sinal mais confiável da ocorrência de cavitação.
Prevenção da Cavitação
Os poços podem variar em tamanho, de muito pequenos a muito grandes, ou mesmo podem penetrar completamente na espessura de um metal. Os danos à estrutura podem ser catastróficos e as perdas na eficiência funcional podem ser substanciais. Métodos para lidar com este problema incluem:
Aumentar a dureza e resistência do metal. No entanto, isso só pode atrasar o problema em vez de evitá-lo.
Aumentar a rigidez da peça. Isso deve reduzir sua amplitude de vibração, aumentando assim sua frequência de vibração natural. Pode ser possível aumentar a espessura da parede ou adicionar nervuras de reforço para alterar as características de vibração.
Aumentando a suavidade da superfície. As cavidades tendem a se agrupar em certas áreas de baixa pressão. Pode ser possível eliminar os picos e vales da superfície dispersando as cavidades.
Desgaste difusivo
O desgaste por difusão ou dissolução refere-se ao dano, erosão ou degradação de materiais que ocorre na superfície de um metal devido ao aumento da temperatura da superfície. Quando dois materiais estão em contato um com o outro, os átomos de um material podem se difundir no outro, causando desgaste por difusão ou dissolução. O desgaste difusivo é principalmente devido ao calor produzido pela adesão quando duas superfícies ásperas se movem uma sobre a outra, normalmente quando um metal está deslizando sobre o outro.
Materiais Típicos Resistentes ao Desgaste
Em geral, o desgaste é um dano superficial induzido mecanicamente que resulta na remoção progressiva de material devido ao movimento relativo entre essa superfície e uma substância ou substâncias em contato. Portanto, existe um material resistente ao desgaste perfeito e, em todos os casos, depende fortemente de muitas variáveis (por exemplo, combinação de materiais, pressão de contato, ambiente, temperatura). A dureza do material está correlacionada com a resistência ao desgaste do material. Se a dureza do material for menor que a dureza do material abrasivo, então a taxa de desgaste é alta. A dureza do material desempenha um papel importante na resistência ao desgaste. Alguns materiais apresentam características especiais de desgaste:
Ni3 Al – Liga. O alumineto de níquel é uma liga intermetálica de níquel e alumínio com propriedades semelhantes às de uma cerâmica e de um metal. O alumineto de níquel é o único que possui uma condutividade térmica muito alta combinada com alta resistência em altas temperaturas. Essas propriedades, combinadas com sua alta resistência e baixa densidade, o tornam ideal para aplicações especiais, como revestimento de pás em turbinas a gás e motores a jato. Materiais compostos com ligas à base de Ni3 Al como uma matriz endurecida por, por exemplo, TiC, ZrO2, WC, SiC e grafeno, são materiais avançados. Em 2005, o material mais resistente à abrasão foi supostamente criado pela incorporação de diamantes em uma matriz de alumineto de níquel.
Carboneto de Tungstênio. O desgaste por impacto é o mais importante na mineração e no processamento de minerais. Mineração e processamento mineral exigem máquinas e componentes resistentes ao desgaste, porque as energias e massas dos corpos em interação são significativas. Para isso, devem ser usados materiais com a maior resistência ao desgaste. Por exemplo, o carboneto de tungstênio é usado extensivamente na mineração em brocas de perfuração de rocha, martelos de fundo de poço, cortadores de rolos, cinzéis de arado de parede longa, picaretas de corte de parede longa, alargadores de perfuração ascendente e máquinas de perfuração de túneis.
Carboneto de Silício. O carboneto de silício é um composto cristalino de silício e carbono extremamente duro, produzido sinteticamente. Sua fórmula química é SiC. O carboneto de silício tem uma classificação de dureza Mohs de 9, aproximando-se da do diamante. Além da dureza, os cristais de carboneto de silício possuem características de fratura que os tornam extremamente úteis em rebolos. Sua alta condutividade térmica, juntamente com sua resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica e resistência a reações químicas, torna o carboneto de silício valioso na fabricação de aplicações de alta temperatura e outros refratários.
Ligas Revestidas. O endurecimento por tratamento de superfície pode ser classificado ainda como tratamentos de difusão ou tratamentos de aquecimento localizado. Os métodos de difusão introduzem elementos de liga que entram na superfície por difusão, seja como agentes de solução sólida ou como agentes de endurecimento que auxiliam na formação de martensita durante a têmpera subsequente. Neste processo, a concentração do elemento de liga é aumentada na superfície de um componente de aço. Os métodos de difusão incluem:
A cementação é um processo de cementação no qual a concentração de carbono na superfície de uma liga ferrosa (geralmente um aço com baixo teor de carbono) é aumentada pela difusão do ambiente circundante. A cementação produz uma superfície de produto dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de camada média), com excelente capacidade de carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e boa resistência à apreensão.
A nitretação é um processo de cementação no qual a concentração de nitrogênio na superfície de um material ferroso é aumentada por difusão do ambiente circundante para criar uma superfície endurecida. A nitretação produz uma superfície dura e altamente resistente ao desgaste (profundidades de caixa rasas) do produto com capacidade razoável para carga de contato, boa resistência à fadiga por flexão e excelente resistência à apreensão.
A boretação, também chamada de boronização, é um processo de difusão termoquímica semelhante à nitrocarbonetação, no qual os átomos de boro se difundem no substrato para produzir camadas superficiais duras e resistentes ao desgaste. O processo requer alta temperatura de tratamento (1073-1323 K) e longa duração (1-12 h), podendo ser aplicado a uma ampla gama de materiais como aços, ferro fundido, cermets e ligas não ferrosas.
Endurecimento de Titânio-carbono e Titânio-nitreto. Nitreto de titânio (um material cerâmico extremamente duro), ou revestimentos de carboneto de titânio podem ser usados nas ferramentas feitas deste tipo de aço através do processo de deposição física de vapor para melhorar o desempenho e a vida útil da ferramenta. O TiN tem uma dureza Vickers de 1800–2100 e tem uma cor dourada metálica.
Aços Endurecidos. A fim de aumentar a resistência ao desgaste dos aços, geralmente é realizado o endurecimento baseado na transformação martensítica. O endurecimento por transformação martensítica é um dos métodos mais comuns de endurecimento, que é usado principalmente para aços (isto é, aços carbono e aços inoxidáveis).
Endurecimento por chama. O endurecimento por chama é uma técnica de endurecimento de superfície que usa uma única tocha com uma cabeça especialmente projetada para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente. É uma técnica semelhante ao endurecimento por indução. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
Endurecimento por indução. O endurecimento por indução é uma técnica de endurecimento de superfície que usa bobinas de indução para fornecer um meio muito rápido de aquecer o metal, que é então resfriado rapidamente, geralmente usando água. Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície. Um teor de carbono de 0,3–0,6% em peso C é necessário para este tipo de endurecimento.
Endurecimento a laser. O endurecimento a laser é uma técnica de endurecimento de superfície que usa um feixe de laser para fornecer um meio muito rápido de aquecimento do metal, que é então resfriado rapidamente (geralmente por auto-têmpera). Isso cria uma “caixa” de martensita na superfície, enquanto o núcleo interno do objeto permanece elástico e resistente.
Ferro fundido dúctil. O ferro dúctil, também conhecido como ferro nodular ou ferro de grafite esferoidal, é muito semelhante ao ferro cinzento na composição, mas durante a solidificação o grafite nucleia como partículas esféricas (nódulos) em ferro dúctil, em vez de flocos. As aplicações típicas para este material incluem válvulas, corpos de bombas, virabrequins, engrenagens e outros componentes automotivos e de máquinas devido à sua boa usinabilidade, resistência à fadiga e maior módulo de elasticidade (em comparação com o ferro fundido cinzento) e em engrenagens pesadas devido à sua alta resistência ao escoamento e resistência ao desgaste.
Bronze Alumínio. Os bronzes de alumínio são uma família de ligas à base de cobre que oferecem uma combinação de propriedades mecânicas e químicas inigualáveis por qualquer outra série de ligas. Eles contêm cerca de 5 a 12% de alumínio. O bronze de alumínio encontrou crescente reconhecimento para uma ampla variedade de aplicações que exigem resistência ao desgaste mecânico. Sua resistência ao desgaste é baseada na transferência do metal mais macio (bronze de alumínio) para o metal mais duro (aço) e na formação de uma fina camada de metal mais macio no metal mais duro.
Referências:
Ciência de materiais:
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 e 2. Janeiro de 1993.
Departamento de Energia dos EUA, Ciência de Materiais. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2 e 2. Janeiro de 1993.
William D. Callister, David G. Rethwisch. Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução 9ª Edição, Wiley; 9 edição (4 de dezembro de 2013), ISBN-13: 978-1118324578.
Eberhart, Mark (2003). Por que as coisas quebram: entendendo o mundo pela maneira como ele se desfaz. Harmonia. ISBN 978-1-4000-4760-4.
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González-Viñas, W. & Mancini, HL (2004). Uma Introdução à Ciência dos Materiais. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-07097-1.
Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Materiais: engenharia, ciência, processamento e design (1ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
JR Lamarsh, AJ Baratta, Introdução à Engenharia Nuclear, 3ª ed., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
Veja acima: Modos de falha
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