Resumo_CTM_Cap8

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CAPÍTULO 8 – FALHAS 
 
 FRATURA 
 FLUÊNCIA 
 FADIGA 
2 
8.1. Introdução 
8. FALHAS 
 A engenharia e ciência dos materiais tem papel importante na prevenção e 
análise de falhas em peças ou componentes mecânicos 
3 
8.1. Introdução 
 Os materiais podem fraturar de dois modos: 
dúctil e 
frágil. 
 
 A diferença está na quantidade de deformação plástica que o material sofre 
antes de fraturar. 
 
 A fratura ocorre em duas etapas: formação e propagação da trinca. 
 
Deformação elástica ou plástica Deformação por tração uniaxial 
8. FALHAS 
• Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior 
ruptura (É OBSERVADA EM MATERIAIS CFC) 
• Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura 
dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no 
material (É OBSERVADA EM MATERIAIS CCC E HC) 
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8.1. Introdução 
 O tipo de fratura depende: 
 
 da temperatura, 
da velocidade de deformação e 
das dimensões do defeito 
 
 Com relação à propagação de defeitos, vimos uma propriedade importante do 
material, a tenacidade (resistência à propagação da fratura). 
 
 A tenacidade é medida pelo fator de concentração de tensões ( K ) . 
 
 
8. FALHAS 
8.1. Fratura 
5 
8.1.2. Fratura dúctil 
 O material sofre uma longa estricção, a 
partir de uma determinada tensão, até um 
único ponto no momento da fratura. 
 
 As deformações permanentes acontecem pela 
concentração excessiva de tensões 
proporcionada pelo acúmulo de 
discordâncias em juntas de grãos e defeitos 
cristalinos. 
 
 Naturalmente a ruptura dúctil implica em 
quebra das ligações entre os átomos, 
levando à formação de uma microfissura. 
 
. 
Fratura altamente dúctil: 
8. FALHAS 
8.1. Fratura 
6 
8.1.2. Fratura dúctil 
 A capacidade remanescente de deformação elástica 
diminui com a quebra de ligações atômicas, 
afetando de forma direta esse mecanismo. 
 
 A redução das áreas resistentes, 
proporcionalmente ao número de ligações 
rompidas, leva a um aumento na velocidade com 
que as deformações permanentes se processam. 
 
 Assim, a capacidade de deformação plástica, ou o 
mecanismo em si, não é diretamente afetada; 
 diz-se, neste caso, que as rupturas das ligações tem 
influência indireta sobre o mecanismo. 
Fratura altamente dúctil: 
8. FALHAS 
7 
8.1.2. Fratura dúctil 
Fratura moderadamente dúctil 
 O material fratura após sofrer 
alguma deformação plástica. 
8.1. Fratura 
8. FALHAS 
8 
8.1. Fratura 
8. FALHAS 
Altamente 
Dúctil 
Moderadamente 
Dúctil 
Frágil Comportamento 
das fraturas 
Grande Moderado %AL ou %EL Pequeno 
• A fratura dúctil é 
preferível por 2 
razões: 
Dúctil: 
 Deformação plástica 
dá um alerta 
Frágil: 
Ocorre 
repentinamente. 
9 
8.1. Fratura 
8. FALHAS 
• Fratura Ductil: 
 -- uma peça 
 -- grande deformação 
• Fratura Frágil 
 -- muitas peças 
 -- pequenas 
deformações 
8.3. Fratura Dúctil 
a- formação do pescoço 
b- formação de cavidades 
c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou 
fissura 
d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus 
em relação à tensão aplicada 
e- rompimento do material por propagação da trinca 
10 
s 
8.3. Fratura Dúctil 
11 
• Resulting 
 fracture 
 surfaces 
 (steel) 
50 mm 
particles 
serve as void 
nucleation 
sites. 
50 mm 
From V.J. Colangelo and F.A. Heiser, 
Analysis of Metallurgical Failures (2nd 
ed.), Fig. 11.28, p. 294, John Wiley and 
Sons, Inc., 1987. (Orig. source: P. 
Thornton, J. Mater. Sci., Vol. 6, 1971, pp. 
347-56.) 
100 mm 
Fracture surface of tire cord wire 
loaded in tension. Courtesy of F. 
Roehrig, CC Technologies, Dublin, 
OH. Used with permission. 
s 
8. FALHAS 
12 
5.1.2. Fratura dúctil 
Microcavidades esféricas Microcavidades parabólicas 
8. FALHAS 
13 
5.1.2. Fratura dúctil 
Fratura dúctil (taça e cone) Fratura frágil em aço doce 
8. FALHAS 
14 
a) Não ha deformação plástica apreciável. 
b) Trincas se propagam rapidamente. 
c) Trincas se propagam aproximadamente 
perpendicularmente a direção da carga aplicada. 
d) Propagação da trinca ocorre comumente por 
clivagem: quebra de ligações atômicas ao longo de 
planos cristalográficos específicos; 
5.1.3. Fratura frágil Clivagem = propagação de trinca 
8. FALHAS 
15 
 Ocorre ruptura das ligações atômicas sem o 
desenvolvimento prévio de mecanismos de deformação 
permanente com intensidade apreciável. 
 
 É também facilitada pela presença de defeitos: 
 como os vazios, que concentram tensões, 
ou pela diferente capacidade de deformação entre o 
arranjo cristalino e 
defeitos de natureza diversa. 
. 
A fratura ocorre sem deformação plástica. 
5.1.3. Fratura frágil 
8. FALHAS 
16 
 Em termos de balanço de energia pode-se afirmar que: 
 
 a ruptura frágil acontece sempre que a energia de 
deformação local introduzida pelas solicitações externas 
iguala, ou é superior, à energia necessária para romper a 
ligação entre os átomos. 
A fratura ocorre sem deformação plástica. 
5.1.3. Fratura frágil 
8. FALHAS 
17 
5.1.3. Fratura frágil 
 A formação e propagação de uma trinca ocorre na direção perpendicular à 
aplicação da tensão. 
 Este processo para a maioria dos materiais cristalinos frágeis corresponde a 
quebra sucessiva e repetida ao longo de planos cristalográficos específicos, 
conhecida como fratura transgranular. 
 Quando a ruptura ocorre no contorno de grão é dita fratura intergranular. 
8. FALHAS 
18 
5.1.3. Fratura frágil 
Início da trinca 
Início da trinca 
8. FALHAS 
19 
5.1.4. Transição dúctil-frágil 
 
 Materiais dúcteis se tornam 
frágeis a temperaturas mais 
baixas. 
 Portanto, é necessário que a 
temperatura corresponda à 
temperatura efetiva de trabalho. 
 
 Exemplo: 
 
Os navios tipo Liberty, da época da 
2ª Guerra, quebraram ao meio porque 
eram fabricados de aço com baixa 
concentração de carbono, que se 
tornou frágil em contato com as 
águas frias do mar. 
8. FALHAS 
20 
5.1.4. Transição dúctil-frágil 
Aços com diferentes 
concentrações de carbono 
Aços com diferentes 
concentrações de manganês
8. FALHAS 
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5.1.5. Tensão de trincas 
8. FALHAS 
5.2. Ensaios de fratura por impacto 
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 Um martelo cai como um pêndulo e bate na amostra, que fratura. 
 
 A energia de impacto é aquela necessária para fraturar o corpo de prova. 
 Ela é obtida diretamente da diferença entre altura final e altura inicial do 
martelo. 
8. FALHAS 
5.2. Ensaios de fratura por impacto 
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5.2.1. Energia de impacto versus temperatura 
5. Fadiga 
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 Fadiga é um tipo de falha que ocorre em materiais sujeitos à tensão que 
varia no tempo. 
 É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças 
dinâmicas e cíclicas 
 Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à 
correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas) 
 A falha pode ocorrer a níveis de tensão substancialmente mais baixos do 
que o limite de resistência do material. 
 É responsável por aproximadamente 90% das falhas em metais. 
 Ocorre subitamente , ou seja, sem aviso prévio. 
 A falha por fadiga é do tipo frágil, com muito pouca deformação plástica. 
8. FALHAS 
25 
Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser: 
 Tração e compressão 
 Flexão. 
 Torção. 
5.3.1. Ensaios de fadiga 
8. FALHAS 
26 
 PRINCIPAIS RESULTADOS 
DO ENSAIO DE FADIGA 
27 
 PRINCIPAIS RESULTADOS 
DO ENSAIO DE FADIGA 
28 
 PRINCIPAIS RESULTADOS 
DO ENSAIO DE FADIGA 
 
Vida em fadiga (Nf): corresponde ao 
número de ciclos necessários para 
ocorrer a falha em um nível de tensão 
específico. 
29 
5.3.3. Fatores que afetam o tempo de vida 
 Nível médio de tensão: Quanto maior o valor médio da tensão, menor é avida. 
 Defeitos de superfície: A maior parte das trincas que iniciam o processo de 
falha se origina na superfície do material. 
 Isto implica que as condições da superfície afetam fortemente a vida de fadiga. 
Precauções que diminuem a fratura por fadiga: evitando cantos vivos. 
 Evitar cantos vivos. 
 Tratamento da superfície 
 Eliminar arranhões ou marcas através de polimento. 
 Carbonetação: forma camadas mais duras e gera tensões compressivas que 
compensam parcialmente a tensão externa. 
8. FALHAS 
5.4. Fluência 
30 
 Fluência é a deformação plástica que ocorre em materiais sujeitos a 
tensões constantes, a temperaturas elevadas. 
 Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma 
deformação elástica. 
 Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride 
lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e 
ruptura do material 
 Definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da 
temperatura, quando o material é submetido à uma carga e temperatura 
constantes. 
 A fluência é indesejável porque limita o tempo de vida de um 
determinado componente ou estrutura. 
 Em metais a fluência se torna importante em temperaturas de trabalho 
próximas a temperatura de fusão do material (T0,4Tf.) 
8. FALHAS 
5.4. Ensaios de Fluência 
31 
8. FALHAS 
É executado pela aplicação de 
uma carga uniaxial constante a 
um corpo de prova de mesma 
geometria dos utilizados no 
ensaio de tração, a uma 
temperatura elevada e constante 
O tempo de aplicação de carga 
é estabelecido em função da 
vida útil esperada do 
componente 
Mede-se as deformações 
ocorridas em função do tempo 
( x t) 
32 
5.4.1. Curva de fluência 
Na região secundária a taxa de 
crescimento é constante (estado 
estacionário), devido a uma 
competição entre encruamento e 
recuperação. 
Na região primária o material 
encrua, tornando-se mais rígido, e 
a taxa de crescimento da 
deformação com o tempo diminui. 
Na região terciária ocorre uma 
aceleração da deformação 
causada por mudanças 
microestruturais tais como 
rompimento das fronteiras de 
grão. 
8. FALHAS 
33 
5.4.2. Influência da temperatura e tensão 
Após a deformação inicial, a deformação é virtualmente 
independente do tempo. 
A deformação instantânea no 
momento da aplicação da tensão 
aumenta. 
A taxa de fluência em estado 
estacionário aumenta. 
O tempo de vida até ruptura diminui. 
8. FALHAS 
34 
5.4.2. Influência da temperatura e tensão 
8. FALHAS 
35 
Relação entre a temperatura e a taxa de 
fluência estacionária 
 
 
 
 
Sendo, 
 
K2 e n constantes do material , 
Qc a energia de ativação para fluência 
5.4.2. Influência da temperatura e tensão 
8. FALHAS 
 Temperatura 
 Módulo de elasticidade 
 Tamanho de grão 
36 
5.4.3. Fatores que influenciam a fluência 
Em geral: 
 
Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de 
elasticidade e maior é a resistência à fluência. 
 
Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resistência à fluência. 
8. FALHAS 
Referências 
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- William D. Callister, David G. Rethwisch - Ciência 
e Engenharia de Materiais: uma Introdução 
- Notas de aula do Prof. Adriano Mendes – 
Unifal 
- Notas de aula da Profa. Karrina Almeida – 
Unifei 
- Notas de Aula EEL/USP, Eng. Mecanica 
Unicamp, UFPR 
- Cienciadosmateriais.org 
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