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Falhas, fraturas e fluência de Materiais Faculdade de Tecnologia Arthur de Azevedo FATEC – Mogi Mirim prof. Me. Maurício Chagas da Silva Materiais gráficos retirado do livro texto: CALLlSTERJr, W. D. ; “Ciência e Engenharia de Materiais: Uma introdução”, 7a ed. ; Rio de Janeiro: LTC, 2008; cap: 8. Fraturas • Fratura simples: separação de um corpo material em duas ou mais partes decorrente às ações externas ( tensão, compressão, cisalhamentos, torções) a temperatura abaixo da temperatura de fusão do material. bservados: dúctil e/ os de fraturas são estas fraturas dependem da nature piá , S. wp to view next page • Materiais dúcteis deformam-se muito quando colocados em serviço absorvendo muita energia antes de sofrerem uma fratura. • Materiais que absorvem pouca energia e apresentam pouca ou nenhuma característica plástica ira apresentar fraturas frágeis. • A dinâmica de fratura apresenta duas situações: a formação de trincas; e a propagação destas. Fraturas Dúcteis • O modo de fratura é altamente dependente do mecanismo de propagação da trinca. ?? grande deformação plástica. • extensa deformação plástica nas vizinhanças de uma trinca. • Processo elativamente lento. • Trinca estável. • Resistente ao crescimento adicional da trinca. Fraturas Frágeis um processo veloz de propagação da trinca. • Uma maior energia de serviço é necessária para promover uma fratura dúctil. Materiais ducteis costumam apresentar uma maior tenacidade. Materiais e Fraturas • Metais costumam ser dúcteis e geram fraturas dúcteis. • Cerâmicas são materiais frágeis e por conseqüência sua fratura também o será. ?? Polímeros podem apresentar tanto propriedades de ductibilldade como de fragilidade. Fratura irá depender de caso a caso. Fratura Dúctil ?? A superfície gerada por esse regime de fratura é distinta em nível macroscópico com em nível microscópico. • Materiais altamente dúcteis (Au, Pb, Sn) formam uma estricção acentuada que culmina em uma fratura pontual. Processos Fratura Dúctil • • • • Micro defeitos. Micro empescoçamentos. Micro cavidade (micro vazios). Aumento das cavidades. Coalescência elíptica. Crescimento elíptico da trinca perpendicular a força em serviço. ?? Propagação da trinca através de um cisalhamento de 450 aproximadamente (taça e cone) Fractografia • Exame microscópico eletrônico de varredura • Informação etalhada do processo de fratura • A MEV é preferida pois tem boa resolução e profundidade de campo superiores aos microscópios ópticos. • Observação da topografia da fratura. • Obtenção da modalidade da fratura, estado de tensão e ponto inicial da trinca. Tensões Cisalhantes Tensões Uniaxiais Fratura Frágil • Ocorre sem qualquer def 2 ciável e pela rápida Aponta para o ponto de iniciação da trinca. ?? Nervuras e linhas radiais costumam aparecer partindo do ponto inicial de trinca. • Superfície lisa e brilhante em materiais amorfos (vidro e polímeros) Fratura Transgranular • Materiais cristalinos frágeis. • Plano de clivagem passa através dos grãos do material • Clivagem é o rompimento sucessivo de ligações quimica ao longo de um eixo preferencial. • A superfície da fratura pode apresentar uma textura facetada ou granular. • Resultado da mudança de orientação dos planos de clivagem de grão em grão.

Fratura Intergranular • Ligas metálicas • Propagação da clivagem acompanha os contornos de grão • Ocorrem após algum processo que tenha fragilizado os contornos de grão do material. Mecânica de Fratura ?? • • • • • Quantificação Propriedades dos materiais Nível de tensão Presença de defeitos Mecanismo de propagação de trincas Objetivo de prevenir posslVeis sinistros em peças acabadas. Concentração de Tensão • As resistências à fratura medidas experimentalmente são relativamente menores àquelas calculadas teoricamente. ?? Nestes casos não estão incluídos sistemas com defeitos internos. • Esses defeitos (trincas) concentram as forças de serviços. Concentradores de Tensão. Concentradores de Tensão • Depende de sua localização (superficial ou sub-superficial). ?? Dimensão – largura. • Forma – eliptico. Modelagem 3 : Energia Superficial o c : Tensão Critica 02 12 Exercício Tenacidade à Fratura • É um parâmetro mecânico que mede a resistência de um material a uma fratura frágil quando uma trinca está presente. Kc) • Tenacidade à fratura em deformação plana (Kic) • Y: aproximadamente 1 para sistemas com trincas menores que as larguras ou espessura do material. K c = Yocrta K Ic=Yona K c = Yocrta K Ic = Yorta Ensaios Não Destrutivos • • • • • • • Líquido penetrante Partícula Magnética Ultrassom Emissão acústica Radiografia Microscopia óptica Microscopia eletrônica de varredura Pesquisa • • • • • Líquido penetrante. Partícula Magnética Ultrassom. Raio-X. Emissão acústica.

Ensaios de Fratura por Impacto Transição Dúctil-Frágil Fadiga e Materiais • Fadiga: falha decorrente âmicas e variáveis para N altos • Representa um nivel de tensão oscilante em que não ocorrerá falha • para os aços é em média de a do LRT • A maioria das ligas não ferrosa não possui limite de durabilidade Incerteza nos Ensaios • Há sempre variações nos valores de N • Utiliza-se muito a statística para inferir propriedades mecânicas referentes a fadiga dos materiais. • Os ensaios de fadiga são susceptíveis há diversos parâmetros externos e nem sempre controláveis.

Processo de Falha • (1) Iniciação da trinca: concentradores de tensão • (2) Propagação da trinca: a cada ciclo de tensão há o avanço da trinca. • (3) Falha: ocorre rapidamente • As trincas associadas à fadiga nucleiam-se na superfície de um componente: riscos superficiais; ângulos vivos; e outros. • A carga cíclica causa descontinuidade na superfície do material ?? Superfície de fratura: marcas de praia (macroscópicas) e estrias(microscópicas). Fatores de Fadiga • Tensão média: níveis de tensão oscilante que o material será solicitado. ?? Efeitos de superfície: a maioria das trincas que levam a fadiga tem origem superficial Efeitos do Ambiente • Fadiga térmica: normalmente em temperaturas elevadas; não precisa necessariamente de tensões externas; origem na dilatação térmica de diferentes partes do material. o=aiEAT S deformação permanente e dependente do tempo quando materiais são submetidos a tensões constantes. Fluência ?? Ocorre em todos os tipos de materiais • É indesejada na maioria dos materiais de engenharia • Metais: é importante em temperatura acima de 40% do ponto de fusão da liga. ?? Materiais poliméricos amorfos costumam apresentar fenômenos consideráveis de fluência. Ensaios de Fluência • Corpo de prova é submetido a uma tensão e temperatura constantes e controlados. • A deformação é medida segundo o tempo. • Inicialmente ocorre a deformação elástica (não é fluência) • Fluência: 3 etapas (primária, secundária e terciária) • Fluência primária ou transiente: taxa decrescente de fluência. Indica um aumento da resistência mecânica (encruamento). ?? Fluência secundária ou estacionária: taxa constante; estágio com maior duração; processos competitivos de encruamento e recuperação do material. • Fluência terciária; aceleração da taxa; ruptura do material. Fluência: Temperatura e Tensão Modelos empíricos Klon In(E r) = In (Kl )+nln (o ) Kl en:cte dos materiais — C] Cl Q f: E ativação da fluência O K 20 expo Extrapolação de Dados • Método de Larson-Miller. impraticável em escala lab • Dados de fluência que seriam posições prolongadas do