Grupo Mecanismos e Mecânica da Fratura

MECANISMOS E
MECÂNICA DA
FRATURA
GRUPO 4
DIEGO FUKUSHIMA – 11200908
DAVID NAVARRO – 11200907
HUGO VENTURELLI - 11200914
LUCA MAZZAFERRO - 11202576
LUKAS BUTZKE - 11202572

Fratura é a separação de um
corpo em duas partes ou mais
partes quando submetido à um
esforço mecânico
Fratura dúctil Fratura frágil
Ocorre apenas após ocorre pela propagação
extensa deformação rápida de trincas,
plástica e se caracteriza acompanhada de pouca ou
nenhuma deformação nos
pela propagação lenta materiais cristalinos ocorre em
de trincas resultantes da determinados planos cristalinos
nucleação e crescimento chamados planos de clivagem
ou ao longo dos contornos de
de microcavidades. grão.

FRATURA DÚCTIL EM
MONOCRISTAIS
Na ausência de
heterogeneidades
microestruturais que nucleiem
uma trinca, a estricção
prossegue até que a seção do
corpo se anule. Colapso
plástico, fratura por
cisalhamento.

FRATURA DÚCTIL POR
COALESCIMENTO DE
MICROCAVIDADES
Materiais convencionais possuem
heterogeneidades que atuam como
barreiras para nucleação de
cavidades.
A observação da superficial por
MEV revela a presença de alvéolos
(dimples) remanescentes das
cavidades nucleadas
O colapso plástico se desenvolve
nas fronteiras das microcavidades
levando à ruptura gradual e
contínua do material.

FRATURA FRÁGIL POR CLIVAGEM
A fratura frágil é perpendicular Este modo de fratura é
ao plano de aplicação de característica de metais que
tração. apresentam algum impedimento
Nos materiais cristalinos para o escorregamento de
corresponde à quebra discordâncias (partículas de 2°
sucessiva das ligações fase, contornos de grão).
atômicas ao longo de um plano
cristalográfico característico,
chamado plano de clivagem.

Teoria de
discordâncias
da fratura frágil.
1- Acumulo de discordâncias
2- Concentração de tensão
cisalhante na ponta do
empilhamento para nuclear
uma trinca.
3- Fratura completa sem
posterior movimento de
discordâncias ou crescimento
distinto da trinca sendo
necessária aumento de
tensão.

A tensão cisalhante força as discordâncias a se
amontoarem.
Com alguns valores de tensão as discordâncias
se coalescem formando uma trinca em cunha.
Tensão cisalhante é necessária para o
movimento de discordâncias, porem tensão
trativa é necessária para propagação.

PROPAGAÇÃO DA TRINCA

1 - Fratura frágil instável sem
crescimento lento.
2 - Crescimento lento, seguido
de fratura frágil instável
3 - Crescimento lento a tensão
constante

DESLOCAMENTO DA PONTA DA
TRINCA

Considera-se que na ponta da
trinca existam minúsculos
corpos de provas sobre tração.
Comprimento do corpo de prova
e delimitado pelo raio de
curvatura
O crescimento da trinca ocorre
quando o corpo de prova
adjacente fraturar.

FRATURA TRANSGRANULAR

Ocorre quando as
trincas iniciam no meio
do grão.

FRATURA FRÁGIL
INTERGRANULAR

Ocorre quando o contorno de
grão apresenta resistência
mecânica menor que a matriz.
A trinca “caminha” ao longo dos
contornos de grão.

Princípios da Mecânica da Fratura

Ela permite quantificar as relações entre as
propriedades dos materiais, o nível de tensões, a
presença de defeitos geradores de trincas e os
mecanismos de propagação de trincas.

Concentração de Tensões
As resistências à fratura medidas para a maioria
dos materiais frágeis são significativamente menores
do que aquelas previstas em cálculos teóricos
baseados nas energias das ligações atômicas. Essa
discrepância é explicada pela presença de defeitos
como trincas, riscos, cantos vivos. Eles são exemplo
de concentradores de tensões.

C.E. Inglis sugeriu pela primeira vez em 1913 que os concentradores de tensões são
responsáveis por esta discrepância. Por meio de cálculos e observações, ele chegou a
essa formula abaixo: ςm = 2ςO(a/ρ) 1/2
Considerando Ke=ςm/ςo , sendo Ke o fator de concentração da tensão:
Ke = 2*(a/ρ)1/2
Representa uma medida do grau pelo qual uma tensão aplicada externamente é
aumentada na extremidade de uma trinca.

Teoria de Griffith

Griffith demonstrou, usando os resultados de
Inglis, quando uma trinca se forma, a tensão elástica
agindo sobre o material relaxa liberando uma
energia
(Ue = -(π.a2.ς2)/E); em compensação é feito um
trabalho de criação de duas novas superfícies livres
(Us = 4.a.γs), onde γs é energia de superfície.
Essa teoria não é valida para materiais dúcteis.

ΔU = Us + Ue

dΔU/da = 0 = d/da( 4.a.γs – (π.a2.ς2)/E)

0 = 4.γs – 2.π.a.ς2/E

ς = (2.E.γS/π.a)1/2

A teoria de Griffith mostra que a tensão de fratura é
fortemente dependente do comprimento da trinca e
da energia superficial.

Fator de Intensificação de Tensão
(K)

Em 1957, G.R. Irwin considerou a trinca como
passante (e não um furo elíptico). Irwin demonstrou
σ = K.(π.a)-1/2
que a tensão no plano que contém a trinca é dado
por:
K = ς(π.a)1/2

Porém, essa fórmula vale apenas para uma placa
infinita com uma trinca passante. Para utilizar com
outras formas, a equação é multiplicada por um fator
de forma (Y) que leva em consideração a geometria
da trinca e do corpo de prova.
K = Yς(π.a)1/2

O fator de forma (Y) pode ter valores como Y = 1,12
para defeitos superficiais em uma placa semi-infinita;
Y = 2/π para defeitos em formato de disco em um
meio infinito, por exemplo.

ENSAIO CHARPY
Entalhe

Em um ensaio charpy, é possível
quantificar a quantidade de energia que foi
absorvida pelo corpo de provas,
verificando que tipo de fratura ele sofreu,
dúctil e/ou frágil.

Os papéis do entalhe são:
A produção de altas tensões localizadas, a
introdução de um estado triaxial de
tensões trativas, a produção de um alto
encruamento localizado e de fissuração e
a produção de um aumento localizado da
taxa de deformação.

A MECÂNICA DA FRATURA
Os primeiros passos para a criação da
mecânica da fratura foram dados em 1920
pelo engenheiro aeronauta inglês Alan
Arnold Griffith durante a Primera Guerra
Mundial. Ele, utilizando conceitos da
primeira lei da termodinâmica,
desenvolveu um modelo de relação entre a
resistência e o tamanho da falha em um
vidro. Mas esta relação não era válida para
materiais metálicos, o que gerou a
necessidade de aperfeiçoá-la.

a = comprimento da trinca
E = módulo de elasticidade
y = densidade da energia superficial
σf = tensão no momento da falha

A MECÂNICA DA FRATURA

Tal aperfeiçoamento foi possível graças
aos estudos do cientista americano
George Rankine Irwin, agora durante a
Segunda Guerra Mundial. Enquanto a
primeira formulação de Griffith era válida
somente para materiais cerâmico ou
materiais extremamente frágeis, a nova
relação estabelecida por Irwin.

a = comprimento da trinca
E = módulo de elasticidade
y = densidade da energia superficial
σf = tensão no momento da falha
G = dissipação de energia por deformação
plástica

FRATURA FRÁGIL

Deformação plástica quase nula
Pouca absorção de energia
A superfície da fratura tende a ser
perpendicular à força aplicada.
A clivagem pode se dar de dois modos,
transgranular ou intergranular, tendendo a
manifestar-se da maneira que ofereça
menos resistência.
Superfície fraturada tem aspecto brilhoso e
granular.

PROBLEMAS DA FRATURA FRÁGIL
As desvantagens da fratura frágil podem ser explicadas por suas próprias
características:

A deformação plástica é quase nula: diferentemente da fratura dúctil, na falha
frágil, não é possível identificar nenhum tipo de deformação no material, o que
seria de grande ajuda, pois ao notar-se tais deformações, poderiam ser feitos
reparos ou trocas nas peças danificadas.

A falha ocorre com pouquíssima absorção de energia: com a adição de um
esforço dinâmico, um material frágil tende a romper de maneira “seca”, violenta.
Em uma área fabril, não pode-se descartar a presença de pessoas, e uma falha
deste tipo certamente deve ser evitada, tanto por motivos de segurança, como
pela influência do próprio trabalhador em erros humanos.


Durante a Segunda Guerra
Mundial, houve uma demanda
quase que imediata para a
fabricação de muitos navios
cargueiros, como os modelos
Liberty e T2. Tal urgência causou
um certo desleixo em relação à
qualidade das soldas nestes
navios. Registros relatam que no
início do programa, cerca de 30%
dos navios Liberty sofreram fratura
catastrófica, como o SS John P.
Gainess (na foto).


No inícios dos incidentes, os motivos eram incertos, porém, após todo o
alvoroço, ficou claro os fatores que geraram tais problemas:

Soldagem: com a pressa
de fazer navios (o tempo
médio de fabricação de
um Liberty era de apenas
5 dias), foram contratados
soldadores inexperientes,
que aliados com a falta de
um controle de qualidade
incisivo, geravam soldas
mal feitas, com a
presença de trincas
iniciais consideráveis.


Solda: a presença de uma carcaça
totalmente soldada gerava uma
superfície contínua, sem nenhum
impedimento para que uma
pequena fratura não se propagasse
por todo o casco do navio. Com as
trincas pré-existentes nas soldas,
era questão de tempo para que
ocorresse uma fratura catastrófica.

SS John P.
Gainess

Temperatura: como
ocorreu com o SS John
P. Gainess, que
navegava nas gélidas
águas do Alaska, baixas
temperatura fragilizam
consideravelmente a
estrutura dos materiais,
como o aço doce,
principal constituinte do
casco dos navios. O
naufrágio do Titanic
também foi causado
pela fragilização a frio,
que foi crucial no
rompimento de seu
casco ao chocar-se com
um iceberg.

FADIGA

Um material está sujeito à falha
por fadiga quando este é
submetido a tensões inferiores à
tensão de escoamento, porém,
aplicada em uma quantidade de
vezes suficientemente grande
para que ocorra a formação,
propagação e por fim a ruptura
por esforços repetidos.

FADIGA
A eventual falha por fadiga se dá
basicamente em 4 estágios:
1 – Iniciação da trinca, em que podem ser
verificados os primeiros danos causados
por tensões cíclicas. É reversível com
tratamentos térmicos adequados.
2 – Crescimento da trinca, em que as
microtrincas inicais aprofundam-se nas
bandas de deslizamento dos planos de
maior tensão cisalhante da peça. Chamado
de “estágio um” de crescimento de trinca.
3 – Crescimento da trinca em bandas de
tração, o qual envolve o crescimento de
trincas perpendiculares à tensão de tração.
É chamado de “estágio dois” de
crescimento de trinca
4 – Ruptura final elástica, onde, por fim,
ocorre a total falha do material, devido a um
tamanho de trinca crítico, em que a seção
não pode mais suportar a carga.

SIGNIFICADO DA CURVA DE
TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO FRÁGIL-
DÚCTIL:
Pode-se dividir o comportamento da temperatura de transição dos
materiais em três grupos básicos:
Metais CFC: Não
apresentam temperatura
de transição (altas
energias absorvidas –
possuem muitos planos
de deslizamento)
Metais CCC: fortemente
dependentes da
temperatura de
transição.
Metais de alta
resistência: Não
apresentam transição
(baixas energias
absorvidas).

ENERGIA ABSORVIDA X
TEMPERATURA

Critérios de determinação:
T1 – Temperatura de
transição fratura plástica
(FTP)
T2 - Temperatura de
transição de
aparência de fratura (FATT).
T3 - Média entre os valores
dos patamares superior e
inferior
T4 - associada com um valor
arbitrário de energia
absorvida CV (2,1 kgf.m)
T5 – Temperatura na qual a
fratura rompe por 100% de
clivagem.

FATORES METALÚRGICOS QUE
AFETAM A TEMPERATURA DE
TRANSIÇÃO
Mudanças na composição química:
O níquel, alumínio e o manganês conferem boa tenacidade ao aço
(Possuem estrutura cristalina CFC), podendo estes elementos de liga
serem usados em aços ferríticos para fins criogênicos.

A presença de
impurezas em geral
abaixa a tenacidade
(precipitação de fases
frágeis). Elementos:
carbono, fósforo,
nitrogênio, silício,
oxigênio, cromo e
molibidênio por
exemplo.

MUDANÇAS NA
MICROESTRUTURA

Tamanho de grão – os contornos de grão são obstáculos à propagação de
trincas de clivagem, obrigando que estas mudem de direção de um grão
para outro;

Temperatura de revenido.

ENSAIO DE IMPACTO CHARPY
A principal função dos ensaios Charpy 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.

A massa do martelo (m) é
inicialmente elevada a uma
altura(a). A energia potencial da
massa(Ep), antes da queda é:
Ep=m.g.a

Por trigonometria:

A energia absorvida no impacto(Et)
corresponde à diferença entre a energia
potencial do pêndulo na altura de queda e
a energia potencial do pêndulo na altura
de elevação

TENACIDADE À FRATURA - KIC
(MECÂNICA DA FRATURA LINEAR ELÁSTICA)
Propriedade que mede a resistência de um material a
uma fratura frágil quando uma trinca está presente.

MPa.m1/2

Onde, Y fator que depende da geometria da trinca e
do componente, ς a tensão aplicada e a o tamanho
da trinca.

Para valores a baixos de K1c o sistema irá se encontrar
em um estado estacionário estável e o comprimento da
trinca permanecerá inalterado. Para um dado valor crítico
Kc o sistema atingirá um estado de equilíbrio instável e a
partir deste valor a trinca irá crescer.

EXPESSURA MÍNIMA:
Mecânica da fratura linear-elástica: Estado plano de
deformação com pouca deformação plástica na ponta da
trinca.
Existe uma espessura mínima abaixo da qual o estado é
plano de tensão (e não de deformação) e a mecânica da
fratura linear elástica não mais pode ser aplicada. Essa
espessura crítica é dada por

FRAGILIZAÇÃO AO REVENIDO
Ocorre em aços-liga quando aquecidos ou resfriados lentamente
através do intervalo de temperaturas de 430 a 590°C.
O problema com grandes seções.
Aumento da TTDF de cerda de 110°C.
Fratura intergranular.
Impurezas: P, Sb, Sn e Ar.( 0,5% Mn, Cr e Ni)
Pequenas quantidades de Mo e W a inibem.

FRAGILIZAÇÃO AO REVENIDO
No aquecimento à T de
Segregação dos revenido os segregados
elementos fragilizantes enfraquecem a coesão das
nos contornos de interfaces ferrita-carbeto.
A fratura inicia na interface
grão.(austenização- ferrita-cementita mas se
tempera) propaga pelos contornos de
grão.

FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO
Um baixo percentual de H pode causar trincas.
Metais CFC em geral não são afetados.
Alta sensibilidade a taxa de deformação.
Suscetibilidade a fratura retardada.
Mais severa em temperaturas intermediarias.
A trinca propaga-se descontinuamente.
Retirar H aquecendo o composto a cerca de 150 a 260°C.

FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO

CORROSÃO SOB TENSÃO
Combinações de ligas e seus ambientes corrosivos:
- Alumínio- água do mar;(1)
- Ligas de cobre- amônia;(2)
- Aço doce- hidróxido de sódio (soda cáustica);(3)
- Aço inoxidável- água salgada.(4)

KIC > KISCC

KIc KIscc
Liga Ambiente
MN/m3/2 MN/m3/2

13Cr steel 60 3% NaCl 12

18Cr-8Ni 200 42% MgCl2 10

Cu-30Zn 200 NH4OH, pH7 1

Al-3Mg-7Zn 25 Haletos em água 5

Ti-6Al-1V 60 0.6M KCl 20

EFEITO DA INTENSIDADE DE TENSÃO
INICIAL NO COMPORTAMENTO DE
FRATURA EM CORROSÃO SOB TENSÃO.

MECANISMO DE FRATURA-
FLUÊNCIA
Etapas:
- Nucleação de vazios ( trincas) nos contornos de grão.
- Coalescimento e crescimento desses vazios.
- Fratura intergranular do material.

Presença de vazios de fluência no material:
vazios em contornos tríplices de contorno de grão
ou vazios lenticulares nos contornos de grão

ELEVADA TAXA DE
CARREGAMENTO
Resposta de estruturas a cargas explosivas e de impulso;(1)
Tensões de contato em mancais de alta velocidade;(2)
Usinagem de alta velocidade;(3)
Conformação por explosivos;(4)
Balística.(5)

 LINK DOS VÍDEOS

 http://www.youtube.com/watch?v=ru8zXGoVRDk

 http://www.youtube.com/watch?v=mO1ZwKaMNmA

 http://www.youtube.com/watch?v=TH9k9fWaFrs

EXERCÍCIOS
1) Cite duas situações nas quais a possibilidade de uma falha é parte
do projeto de um componente ou projeto.

2) Uma placa relativamente grande de um vidro é submetida a uma
tensão de tração de 40MPa. Se a energia de superfície específica
e o módulo de elasticidade para esse vidro são de 0,3 J/m3 e
69GPa, respectivamente, determine o comprimento máximo que
um defeito de superfície pode ter sem que haja fratura.

3) As superfícies para algumas amostras de aço que falharam por
fadiga possuem uma aparência cristalina ou granular brilhante. Os
leigos podem explicar dizendo que o metal cristalizou enquanto
estava em serviço. Apresente uma crítica para essa explicação.

BIBLIOGRAFIA
 Callister, Jr Willian. Ciência e engenharia de materiais uma
introdução.
 Dieter, George Ellwood. Metalurgia mecânica.

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