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A verdade sobre a fadiga termomecânica: por que ela é tão importante para os motores?
Os atuais especialistas em projetos de motores muitas vezes precisam considerar um fator crítico: a fadiga termomecânica (TMF). TMF refere-se ao fenômeno de fadiga de um material sob a interação de carga mecânica cíclica e carga térmica cíclica. Ao construir motores de turbina ou turbinas a gás, a importância do TMF não pode ser ignorada.
A fadiga termomecânica não afeta apenas a vida útil do material, mas também afeta diretamente a eficiência e a confiabilidade do motor.
Mecanismo de falha
Existem três mecanismos de falha principal da fadiga termomecânica:
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Creep: o fenômeno de fluxo de materiais em altas temperaturas. Fadiga: Crescimento e propagação de rachaduras devido ao carregamento repetido.Oxidação: Mudanças na composição química dos materiais devido a fatores ambientais tornam os materiais oxidados mais frágeis e propensos a rachaduras.
O grau de influência destes três mecanismos também variará dependendo dos parâmetros de carga.
Fase de carregamento
No carregamento termomecânico intrafase (IP), o efeito da fluência é mais significativo quando a temperatura e a carga aumentam simultaneamente. A combinação de alta tensão e alta temperatura é a condição ideal para fluência.這種高溫下的材料在拉伸時較易流動，但在壓縮時則冷卻並變得更為堅硬。
而在相位外（OP）熱機械載荷中，氧化和疲勞的影響占主導地位。 A oxidação enfraquece a superfície do material, formando defeitos e servindo como sementes para a propagação de fissuras. À medida que a fissura se propaga, a superfície da fissura recentemente exposta oxida, enfraquecendo ainda mais o material e promovendo a propagação da fissura.
Em alguns casos, quando as diferenças de tensão são muito maiores que as diferenças de temperatura, a fadiga pode se tornar a única causa de falha, fazendo com que o material falhe antes que a oxidação possa causar danos.
Análise de modelo
A pesquisa atual sobre fadiga termomecânica não está completa. Os cientistas propuseram uma variedade de modelos para prever o comportamento e a vida útil dos materiais sob carga de TMF.
Dois modelos principais serão discutidos aqui: o modelo constitutivo e o modelo fenomenológico.
Modelo constitutivo
A modelagem constitutiva aproveita a compreensão existente da microestrutura do material e dos mecanismos de falha. Tais modelos são complexos e visam integrar todo o nosso conhecimento sobre falhas materiais. Esses modelos tornaram-se cada vez mais populares em estudos recentes à medida que a tecnologia de imagem avança.
Modelo fenomenológico
O modelo fenomenológico baseia-se no comportamento observado dos materiais e trata o mecanismo de falha como uma “caixa preta”. Depois de inserir as condições de temperatura e carga, a saída é a vida útil da fadiga. Esse tipo de modelo tenta ajustar certas equações à relação entre diferentes entradas e saídas.
Modelo de acumulação de danos
O modelo de acumulação de danos é um dos modelos constitutivos, que resume o dano dos três mecanismos de falha de fadiga, fluência e oxidação.
Este modelo é considerado um dos modelos TMF mais completos e precisos, porque leva em consideração os efeitos de vários mecanismos de falha.
Vida cansada
A vida à fadiga é calculada sob condições de carga isotérmica e é afetada principalmente pela deformação aplicada à amostra. O modelo não considera os efeitos da temperatura, que são tratados pelas cláusulas de oxidação e fluência.
Efeitos de oxidação
A vida de oxidação é afetada pela temperatura e pelo tempo de ciclo. Os resultados experimentais mostram que sob condições de alta temperatura, a influência de fatores ambientais reduzirá significativamente a vida à fadiga dos materiais.
Efeito de deslocamento
O efeito da fluência é avaliado através de condições de deformação e carga em diferentes temperaturas, e a vida útil do material é resumida.
Desafios até o momento e perspectivas futuras
Embora o modelo de acumulação de danos ocupe uma posição importante no entendimento do TMF, sua complexidade também exige que muitos parâmetros materiais sejam obtidos por meio de extensos experimentos. Como equilibrar a precisão e a operabilidade dos modelos continua sendo um grande desafio na academia e na indústria.
No futuro, à medida que a ciência dos materiais avança, seremos capazes de analisar mais profundamente os mecanismos de fadiga termomecânica, o que ajudará a projetar motores mais duráveis. No entanto, como transformar eficazmente este novo conhecimento em aplicações práticas ainda é uma questão que vale a pena explorar?
