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Descobrindo os três mecanismos mortais da fadiga material: como eles afetam nossa tecnologia?
Com o avanço da ciência e da tecnologia, a pesquisa em ciência dos materiais tem recebido cada vez mais atenção. Entre elas, a fadiga termomecânica (TMF) tornou-se uma consideração importante em muitas aplicações de alta tecnologia, especialmente no projeto de motores de turbina ou turbinas a gás. O aumento do ruído acústico da borboleta ou a velocidade instável da turbina podem estar diretamente relacionados ao comportamento de fadiga do material.
TMF refere-se ao fenômeno de fadiga causado pelo material submetido a cargas mecânicas periódicas e cargas térmicas periódicas ao mesmo tempo. De acordo com pesquisas atuais, existem três principais mecanismos de falha de fadiga termomecânica: fluência, fadiga e oxidação. Vamos explorar como esses mecanismos afetam as propriedades dos materiais e, por sua vez, nossa tecnologia.
Mecanismo de Falha
Fluência é o comportamento de deformação de um material em temperaturas elevadas. Fadiga é o crescimento e propagação de rachaduras devido a cargas repetidas. Oxidação é a mudança na composição química de um material devido a fatores ambientais. Materiais oxidados são mais quebradiços e mais propensos a rachaduras.
O impacto desses três mecanismos de falha variará com os parâmetros de carga. Por exemplo, sob condições de carga termomecânica em fase (IP), a fluência se torna o fator dominante, pois a temperatura e a carga aumentam simultaneamente. Aqui, a combinação de temperatura e alto estresse faz com que o material flua em maior extensão, reduzindo sua resistência.
Em contraste, sob carga termomecânica fora de fase (OP), os efeitos da oxidação e da fadiga são mais significativos. A oxidação enfraquece a superfície do material, fazendo com que a rachadura se torne o defeito inicial. Conforme a rachadura se expande, a superfície da rachadura recém-exposta será oxidada novamente, aumentando a fragilidade do material.
Além disso, no carregamento OP TMF, quando a diferença de tensão é maior que a diferença de temperatura, a fadiga pode ser a principal causa de falha e o material pode ficar extremamente sensível, falhando até mesmo antes que os efeitos da oxidação se tornem perceptíveis.
Modelo
Para prever melhor o comportamento dos materiais sob carga TMF, vários modelos foram desenvolvidos. Dois modelos básicos serão introduzidos aqui: modelos constitutivos e modelos fenomenológicos.
Modelo constitutivo
Os modelos constitutivos se esforçam para explorar a compreensão atual da microestrutura do material e seus mecanismos de falha e são geralmente complexos porque tentam incorporar todo o conhecimento sobre falhas do material. À medida que a tecnologia de imagem avança, esse tipo de modelo vem ganhando cada vez mais atenção.
Modelo FenomenológicoOs modelos fenomenológicos dependem inteiramente de observações do comportamento do material e tratam o mecanismo de falha como uma “caixa preta”. Neste modelo, condições de temperatura e carga são usadas como entradas, e a vida de fadiga do material é derivada em última instância. Sua característica é que ele tenta usar algum tipo de equação para descrever a tendência entre diferentes entradas e saídas.
Modelo de Acumulação de Danos
O modelo de acumulação de danos é um modelo constitutivo que adiciona os danos de três mecanismos de falha, fadiga, fluência e oxidação, para calcular a vida útil total de fadiga do material.
Embora esse modelo seja preciso, ele também requer experimentos em larga escala para derivar vários parâmetros de material, o que sem dúvida aumenta os custos e o tempo de desenvolvimento.
Benefícios e Desafios
O modelo de acumulação de danos pode refletir de forma abrangente o impacto de vários mecanismos de falha nas propriedades do material, o que é crucial para o projeto e a seleção de materiais de alto desempenho. Entretanto, a complexidade desse tipo de modelo também é um dos maiores desafios no design atual, que exige precisão e confiabilidade dos dados experimentais, caso contrário levará a julgamentos de uso incorretos.
Modelo de distribuição de taxa de deformação
O modelo de distribuição da taxa de deformação é um modelo fenomenológico que se concentra no comportamento de deformação inelástica dos materiais e avalia a vida de fadiga dividindo a deformação em múltiplos casos.
O modelo leva em consideração os efeitos da plasticidade e da fluência nas propriedades de fadiga dos materiais sob diferentes condições de carga e é aplicável a condições de carga complexas.
A precisão e a usabilidade desses modelos se tornam ainda mais importantes quando confrontados com ambientes operacionais adversos, como alta temperatura e pressão. À medida que os requisitos da indústria para desempenho de materiais aumentam, mais pesquisas se concentrarão na melhoria e aplicação desses modelos.
Os avanços tecnológicos têm gradualmente aprofundado nossa compreensão dos mecanismos de fadiga dos materiais, mas ainda há muitos fatores desconhecidos que valem a pena explorar no futuro. Ao mesmo tempo em que promove o progresso científico e tecnológico, também nos faz pensar cuidadosamente sobre a durabilidade dos materiais. . Compreendemos completamente esses mecanismos de fadiga e suas profundas implicações para tecnologias futuras?
