falha

Movimentação de discordâncias
https://www.youtube.com/watch?v=Cyn-boIJq8A
https://www.youtube.com/watch?v=y0Y5q5WqBu8
https://www.youtube.com/watch?v=9UeRrZFRe5k
Ensaio de tração (com gráfico)
https://www.youtube.com/watch?v=sKBOdB0x4gk
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FALHA
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1º Semestre de 2017
Prof. Júlio César Giubilei Milan
FALHA
Mecânica da Fratura
Disciplina que trata do comportamento dos
materiais que contêm trincas e outras
pequenas descontinuidades.
Importância – conhecer a máxima tensão que
um material pode suportar, caso ele contenha
descontinuidades de tamanho e geometria
conhecidos.
Tenacidade a fratura – medir a capacidade
de uma estrutura com trincas suportar uma
tensão aplicada.
FALHA
Fratura
Separação de um corpo em duas ou mais partes
em resposta a uma tensão imposta que possua
natureza estática. Também pode ocorrer devido à
fadiga e à fluência.
O processo de fratura é normalmente súbito e
catastrófico, podendo gerar grandes acidentes
Envolve duas etapas: formação de trinca e
propagação.
Pode assumir dois modos:
• Dúctil,
• Frágil.
FALHA
Fig. – Navio tanque de óleo que fraturou de uma maneira frágil pela propagação de
trincas ao redor do casco.
FALHA
Fratura dúctil
• Em metais com boa ductilidade e tenacidade, a
fratura dúctil ocorre normalmente de forma
transgranular.
• O material se deforma substancialmente antes de se
fraturar. Pode haver estricção antes da fratura.
• O processo se desenvolve de forma relativamente
lenta à medida que a trinca propaga.
• Este tipo de trinca é denominado estável porque ela
para de se propagar a menos que haja uma aumento
da tensão aplicada no material.
• Em geral, são causadas por sobrecargas,que são
aplicações de tensões muito elevadas ao material.
FALHA
Ouro puro
Chumbo puro
Fig. – (a) Fratura altamente dúctil na qual a amostra forma um pescoço até um
único ponto. (b) Fratura moderadamente dúctil após algum empesçoamento. (c)
Fratura frágil sem qualquer deformação plástica.
FALHA
Fig. – Estágios de uma fratura tipo taça e cone. (a) Empescoçamento inicial. (b)
Formação de pequenas cavidades. (c) Coalescência de cavidades para formar uma
trinca. (d) Propagação da trinca. (e) Fratura final por cisalhamento em ângulo de
45 ° em relação à direção de tração.
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark
used herein under license.
FALHA
Fig. – Quando um material dúctil é tracionado, o empescoçamento se inicia e
vazios se formam – próximos ao centro da barra – pela nucleação nos contornos de
grãos ou inclusões. Com a continuidade da deformação, cisalhamento à 45° pode se
formar, produzindo uma fratura do tipo taça e cone.
Fig. – (a) Fratura do tipo taça e cone no alumínio. (b) Fratura frágil em aço doce..
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein
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Fig. – Cavidades ‘dimples’ se formam durante a fratura dúctil. Cavidades
equiaxiais se formam no centro, onde os microvazios coalescem. Cavidades
alongadas, apontam a origem da falha formando cisalhamento
FALHA
(a) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades esféricas
“dimples”características de uma fratura dúctil que resulta de cargas de tração
uniaxial. (b) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades com
formato parabólico características de uma fratura dúctil que resulta da aplicação
de uma carga cisalhante.
FALHA
Fratura frágil
• Ocorre em metais e ligas de alta
resistência ou naqueles com ductilidade
reduzida;
• Metais normalmente dúcteis podem se
fraturar de maneira frágil:
•
•
•
•
Em baixas temperaturas;
Seções muito espessas;
Altas taxas de deformação (impacto);
Na presença de grandes trincas
superficiais.
FALHA
Fratura frágil
• Ocorre sem deformação apreciável até se
fraturar;
• O início da trinca ocorre em pequenas
descontinuidades superficiais que causam
concentração de tensão;
• O processo de propagação de trinca pode ser
muito veloz, gerando situações catastróficas;
• A partir de um certo ponto, a trinca é dita
instável porque se propagará mesmo sem
aumento da tensão aplicada sobre o material.
FALHA
Fratura frágil
• Na maioria dos materiais cristalinos frágeis,
a trinca frequentemente se propaga por
CLIVAGEM – quebra de ligações atômicas ao
longo de um plano cristalino específico.
Transgranular → trinca da fratura passam
através dos grãos.
• Em algumas ligas, trincas se propagam ao
longo dos contornos de grão →
Intergranular
(segregação de elementos químicos diferentes ou
inclusões nos contornos de grãos → interface de
baixa resistência →propagação intergranular)
FALHA
(a) Esquema do perfil da seção transversal mostrando a propagação da trinca
através do interior dos grãos para fratura transgranular. (b) Fractografia
eletrônica de varredura do fofo dúctil mostrando uma superfície de fratura
transgranular.
FALHA
(a) Esquema do perfil da seção transversal mostrando a propagação da trinca ao
longo dos contornos dos grãos para fratura intergranular. (b) Fractografia
eletrônica de varredura mostrando uma superfície de fratura intergranular.
FALHA
PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
• Fratura frágil de materiais normalmente
dúcteis → necessidade de compreensão dos
mecanismos da fratura.
• → Mecânica da fratura → permite a
quantificação das relações entre as
propriedades dos materiais, o nível de
tensão, a presença de defeitos geradores de
trincas e os mecanismos de propagação de
trincas.
FALHA
Concentração de tensão
• A resistência à fratura de um material
está relacionada com as forças de
coesão que existem entre os átomos.
• Resistência de coesão (teórica): da
ordem de E/10
E – módulo de elasticidade
• Na prática: E/100 a E/10.000;
FALHA
Concentração de tensão
• Presença de defeitos ou trincas muito
pequenos, microscópicos que sempre
existem na superfície e no interior do corpo
de um material;
• Defeitos → fator negativo para a resistência a
fratura → a tensão aplicada pode ser
amplificada ou concentrada nas
extremidades destes defeitos →
concentradores de tensão.
FALHA
Concentração de tensão
• Ocorre concentração de tensões em
falhas microscópicas (microtrincas,
vazios, superfícies arranhadas, cantos
vivos etc);
• Defeitos são conhecidos por fatores
de concentração de tensões.
• A MAGNITUDE DA AMPLIFICAÇÃO
DEPENDE DA ORIENTAÇÃO,
GEOMETRIA E DIMENSÕES DA
MICROTRINCA
Trinca com formato elíptico
e perpendicular a tensão
aplicada
1

 a  2
 m  0 1  2  

  e  

m - tensão
máxima na
extremidade da
trinca
e - raio
de
curvatura
na
extremid
ade da
trinca
0 Tensão
nominal
o tensão
nominal
(a) Geometria das trincas de superfícies e internas. (b) Diagrama esquemático do
perfil de tensão ao longo da linha X-X’ em (a), demonstrando a amplificação de
tensão nas extremidades da trinca.
FALHA
Para uma microtrinca longa com pequeno raio de
curvatura
1
 a 
 m 2 0  
 e 
2
ϭm muitas vezes o valor
de ϭ0
Algumas vezes a razão ϭm/ϭ0 é conhecida por fator
de concentração de tensões, Ke
 a 
m
Ke 
2 
e
 e 
1
2
Que é a medida do grau segundo o qual uma tensão
externa é amplificada na extremidade de uma trinca.
FALHA
• A amplificação de tensão pode ocorrer em
descontinuidades internas de dimensões
macroscópicas (vazios, inclusões), em arestas
vivas, ’arranhões’ e nos entalhes em grandes
estruturas.
• Efeito de um fator de concentração de
tensões é mais significativo em materiais
frágeis do que em materiais dúcteis.
• Materiais dúcteis → distribuição de tensões
mais uniformes na vizinhança do
concentrador de tensões → fator de
concentração de tensões máximo menor que
o teórico.
FALHA
Considerando os princípios da mecânica
da fratura
 2 Es 
 c 

 a 
1
2
γs - energia de superfície específica
σc – tensão crítica necessária para propagação de uma
trinca em um material frágil
Material frágil → contém uma população de
pequenas trincas e defeitos com diversos
tamanhos, geometrias e orientações.
FALHA
Usando princípios da mecânica da fratura foi
desenvolvida uma expressão que relaciona σc e
a
O fator de intensidade de tensão, K, é uma
medida do carregamento mecânico em
estruturas com trincas, é dado por:
K Y a
Unidade:
MPa (m)-1/2
FALHA
K Y a
Y - é o fator geométrico depende
do tamanho, geometria da trinca,
da amostra e do modo de aplicação
da carga (adimensional).
A tensão na ponta de uma trinca
tende a se “distribuir” na sua
vizinhança. Isso pode ser
representado pela equação:
Grande espessura, f = 1
Trinca na superfície, f = 1,12
FALHA
Conhecendo o fator de intensidade de tensão, K, é
possível saber o quão próximo ele está do fator de
intensidade de tensão crítico Kc que leva a fratura.
Fator de intensidade de tensão crítico é definido como
tenacidade à fratura, Kc
Por definição, a tenacidade a fratura é uma
propriedade que representa uma medida da
resistência de um material à fratura frágil
quando uma trinca está presente
(unidades: MPa.m-1/2 ou psi.pol-1/2)
Kc = K necessário para a propagação de uma trinca
FALHA
Em amostras finas, Kc depende da
espessura da amostra
Quando a espessura >>> dimensões da trinca
↓
Kc independente da espessura
↓
Condição de deformação plana
↓
Quando uma carga atua em uma trinca não
existe nenhum componente de deformação
perpendicular às faces anterior e posterior
Kc = KIC -tenacidade a fratura em deform. plana
FALHA
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a
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A tenacidade à fratura depende da espessura
da amostra ou componente
Influência da espessura na tenacidade à fratura Kc de um aço com limite de
escoamento de 300.000 psi. Com o aumento da espessura, a tenacidade atinge um
valor mínimo e constante, chamado tenacidade à fratura no estado plano de
deformação KIC.
Tenacidade a fratura KIC(MPam)
FALHA
Resistência f (MPa)
Tenacidade à fratura em função do limite de resistência de materiais
FALHA
Com o aumento da espessura, a
tenacidade à fratura Kc diminui até
atingir um valor mínimo (constante)
denominado tenacidade à fratura no
estado plano de deformação, KIC,
sendo identificada como uma
propriedade do material.
A magnitude de KIC diminui com o
aumento da taxa de deformação e a
diminuição da temperatura.
FALHA
Crítico
KIC  é constante para espessuras
superiores à necessária para atingir o
estado plano de deformação.
Três modos de deslocamento da superfície da trinca. (a) modo I, modo
de abertura ou tração; (b) modo II, modo de deslizamento; e (c) modo
III, modo de rasgamento.
FALHA
Materiais frágeis
→ KIC ↓
Materiais dúcteis → KIC ↑
FALHA
Tab. - Tenacidade a fratura no estado plano de deformação (K IC) de
materiais
FALHA
A resistência de um material a propagação de
uma trinca depende de vários fatores:
1) Trincas grandes reduzem a tensão máxima que
pode ser aplicada. Redução do tamanho das
descontinuidades melhoram a resistência a fratura;
2) A capacidade de deformação plástica é um fator
crítico na utilização dos materiais. Nos metais
dúcteis, a deformação torna a ponta da trinca
rombuda reduzindo k evitando o crescimento da
mesma.
3) Componentes espessos têm menor resistência á
fratura que componentes mais finos feitos do mesmo
material.
FALHA
A resistência de um material a propagação de
uma trinca depende de vários fatores:
4) Alta taxa de deformação normalmente reduz a
tenacidade à fratura do material.
5)O aumento da temperatura eleva a tenacidade à
fratura.
6) Um tamanho de grão pequeno aumenta a
tenacidade à fratura,enquanto defeitos localizados e
alta intensidade de discordâncias reduzem a
resistência à fratura.
7) A presença de tensão residual compressiva em
materiais cerâmicos aumenta a resistência à fratura.
FALHA
Importância da mecânica da fratura
A principal utilidade da mecânica da fratura na
metalurgia é caracterizar aquelas ligas de
ductilidade intermediária que podem sofrer falha
catastrófica abaixo de seu limite de escoamento
devido ao efeito de concentração de tensão dos
defeitos estruturais
Há três variáveis a se considerar: a propriedade
do material (KIC), a tensão (σ) presente e o
tamanho da trinca (a)
Para a condição crítica de fratura, se duas dessas
variáveis forem conhecidas, será possível
determinar a terceira
FALHA
Importância da mecânica da fratura
Seleção de material – se o tamanho
máximo a da trinca e a tensão forem
conhecidos, é possível selecionar um
material com KIC para suportar o
carregamento sem que a trinca se
propague.
FALHA
Importância da mecânica da fratura
Integridade estrutural – se o tamanho
máximo de uma trinca e a tenacidade
à fratura forem conhecidos, é possível
calcular a tensão máxima suportada
pelo componente.
FALHA
Importância da mecânica da fratura
Método de fabricação ou de ensaio não
destrutivo – se material foi selecionado, a
tensão aplicada é conhecida e o tamanho do
componente foi determinado, pode-se
calcular o tamanho máximo tolerado de uma
trinca.
• O uso de um ensaio não destrutivo, capaz de
detectar pequenas descontinuidades, garante
que o material opere de forma segura;
• Processo de fabricação adequado é possível
limitar o tamanho das descontinuidades.
FALHA
Ensaios de Tenacidade a Fratura
Diversos ensaios padronizados para medir a
tenacidade a fratura
• Nos EUA → ASTM (E561-05E1, E1290-08,
E1820-08).
• Procedimentos e configurações dos corpos de
prova para a maioria dos ensaios são
complicados.
• Para cada tipo de ensaio o corpo de provas
contem um defeito preexistente. O dispositivo
aplica uma carga sobre o corpo de provas, em
uma taxa especificada, e também mede os
valores para carga e o deslocamento da trinca.
Maioria dos ensaios para metais.
FALHA
Técnicas de ensaio por Impacto
O ensaio de impacto é um ensaio dinâmico
empregado para análise da fratura frágil de
materiais.
• Medida de energia absorvida pelo corpo de
prova;
• Não fornece informações seguras sobre o
comportamento de toda uma estrutura em
condições de serviço;
• Permite a observação de diferenças de
comportamento entre materiais que não são
observadas em um ensaio de tração.
FALHA
Técnicas de ensaio por Impacto
Resultados obtidos em laboratório para
ensaios de tração (baixa taxa de
carregamento) não poderiam ser extrapolados
para prever o comportamento a fratura.
Sob algumas circunstâncias, metais
normalmente dúcteis fraturam de forma
abrupta e com muito pouca ou nenhuma
deformação plástica sob taxas de
carregamento muito elevadas.
FALHA
As condições de ensaios de impacto são
escolhidas para representar as
condições mais severas em relação ao
potencial de ocorrência de uma fratura,
que são:
1.Deformação a uma temperatura
relativamente baixa;
2.Taxa de deformação elevada;
3.Estado de tensão triaxial (que pode ser
introduzido pela presença de um entalhe).
FALHA
Teste de impacto –
CHARPY
• Um martelo cai
como um pêndulo
e bate na amostra,
que fratura.
• A energia
necessária para
fraturar, a energia
de impacto
(tenacidade ao
entalhe), é obtida
diretamente da
diferença entre
altura final e altura
inicial do martelo.
Esquema de um equipamento para
ensaio de impacto
FALHA
Teste de impacto –
CHARPY
Corpo de prova utilizado em ensaio de
impacto Charpy e Izod.
FALHA
A principal função dos ensaios
Charpy e Izod consiste em
determinar se um material
apresenta ou não uma transição
dúctil-frágil com o decréscimo da
temperatura e, caso apresente, em
que faixa de temperaturas ocorre o
fenômeno.
FALHA
TRANSIÇÃO DÚCTIL – FRÁGIL
Fratura de cisalhamento (%)
Energia de impacto (J)
A transição dúctil-frágil está relacionada à dependência
da absorção de energia de impacto medida em relação
à temp. (curva A)
Dependência com a temperatura da energia de impacto Charpy com entalhe em V (curva A)
FALHA
TRANSIÇÃO DÚCTIL – FRÁGIL
• A ductilidade dos materiais é função da
temperatura e da presença de impurezas.
• Materiais dúcteis se tornam frágeis a
temperaturas mais baixas. Isto pode gerar
situações desastrosas caso a temperatura de teste
do material não corresponda a temperatura efetiva
de trabalho.
• Para muitas ligas a transição dúctil-frágil ocorre
numa faixa de temperatura.
Ex: Os navios tipo Liberty, da época da 2ª Guerra, que
literalmente quebraram ao meio. Eles eram fabricados
de aço com baixa concentração de carbono, que se
tornou frágil em contato com as águas frias do mar.
FALHA
TRANSIÇÃO DÚCTIL – FRÁGIL
Ligas que possuem estrutura cristalina CFC (ligas a
base de Al e Cu) permanecem dúcteis mesmo a
temperaturas extremamente baixas.
• Ligas CCC e HC experimentam a transição dúctilfrágil.
• Sensíveis à composição e a microestrutura.
• ⭣ Tamanho de grão → ⭣ Temperatura de
transição;
• ⭡ Teor de C → ⭡ Temperatura de transição;
• Cerâmicos → temperatura de transição superior
a 1000 °C.
FALHA
TRANSIÇÃO DÚCTIL – FRÁGIL
Ligas CCC e HC experimentam a transição dúctilfrágil, CFC não.
Isto ocorre em função dos diferentes sistemas
de escorregamento vinculados a cada uma
dessas estruturas cristalinas associados às
atividades das discordâncias.
Os fenômenos de geração, movimentação e
recuperação de discordâncias em estruturas
CFC ocorrem a níveis de tensão que em geral
não são suficientemente elevados para romper
ligações atômicas e conduzir a situações de
ruptura por clivagem.
FALHA
TRANSIÇÃO DÚCTIL – FRÁGIL
Temperatura (ºC)
Aços com diferentes concentrações de
carbono
Aços com diferentes concentrações de
manganês