Lista 2 - Comportamento Mecânico dos Materiais

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Falha 
 
1. Quais são as três causas usuais de uma falha em materiais? 
2. O que consiste uma fratura simples ? 
3. A fratura, em resposta a uma carga de tração e em temperaturas relativamente 
baixas, pode ocorrer de modo dúctil e frágil. Explique as diferenças entre um 
material que apresenta um comportamento na fratura como dúctil e frágil. 
4. A tensão máxima que pode existir na extremidade de uma trinca depende de quais 
fatores? Dica: Equação 8.1 
5. Quais são os três diferentes modos de deslocamento de trincas? 
6. O que é deformação plana? 
7. A tenacidade à fratura de um material é um indicativo da sua resistência a uma 
fratura frágil quando uma trinca está presente , KIc, é o parâmetro normalmente 
citado para fins de projeto; seu valor é relativamente grande para os materiais 
dúcteis (e pequeno para os frágeis) e é uma função da microestrutura, da taxa de 
deformação e da temperatura. Para a situação de deformação plana, KIc, depende 
de quais fatores? 
 
 
Princípios da Mecânica da Fratura 
 
1. Qual é a magnitude da tensão máxima existente na extremidade de uma trinca interna que 
possui um raio de curvatura de 1,9 × 10–4 mm (7,5 × 10–6 in) e um comprimento de trinca 
de 3,8 × 10–2 mm (1,5 × 10–3 in) quando uma tensão de tração de 140 MPa (20.000 psi) é 
aplicada? 
2. Um componente de uma aeronave é fabricado a partir de uma liga de alumínio 
que possui uma tenacidade à fratura em deformação plana de 40 MPa (ou 
36,4 ksi ). Foi determinado que a fratura ocorre sob uma tensão de 300 MPa 
(43.500 psi), quando o comprimento máximo (ou crítico) de uma trinca interna é 
de 4,0 mm (0,16 in). Para esse mesmo componente e para essa mesma liga, 
ocorrerá fratura sob um nível de tensão de 260 MPa (38.000 psi), quando o 
comprimento máximo de uma trinca interna for de 6,0 mm (0,24 in)? Por que sim 
ou por que não? 
3. Um componente estrutural é fabricado a partir de uma liga que possui uma 
tenacidade à fratura em deformação plana de 62 MPa . Foi considerado que 
esse componente falha sob uma tensão de 250 MPa quando o comprimento 
máximo de uma trinca superficial é de 1,6 mm. Qual é o comprimento máximo 
permissível para uma trinca superficial (em mm) sem a ocorrência de uma fratura 
para esse mesmo componente quando exposto a uma tensão de 250 MPa e quando 
o componente for feito a partir de outra liga com uma tenacidade à fratura em 
deformação plana de 51 MPa ? 
4. Após consultar outras referências, escreva um relatório sucinto sobre uma ou duas 
técnicas de ensaios não destrutivos usadas para detectar e medir defeitos internos 
e/ou superficiais em ligas metálicas. 
 
Ensaios de Tenacidade à Fratura 
 
1. Encontram-se tabulados a seguir os dados coletados a partir de diversos ensaios de 
impacto Charpy em uma liga de aço 4340 revenida. 
 
 
(a) Trace os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura. 
(b) Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura correspondente 
à média entre as energias de impacto máxima e mínima. 
(c) Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura na qual a energia 
de impacto é de 50 J. 
 
2. Encontram-se tabulados, a seguir, os dados coletados a partir de diversos ensaios de 
impacto Charpy em um aço comercial com baixo teor de carbono. 
 
 
 
(a) Trace os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura. 
(b) Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura correspondente 
à média entre as energias de impacto máxima e mínima. 
(c) Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura na qual a energia 
de impacto é de 20 J. 
 
Tensões Cíclicas 
 
1. Um ensaio de fadiga foi conduzido de tal modo que a tensão média foi de 70 MPa (10.000 
psi) e a amplitude de tensão foi de 210 MPa (30.000 psi). 
(a) Calcule os níveis de tensão máximo e mínimo. 
(b) Calcule a razão entre as tensões. 
(c) Calcule a magnitude do intervalo de tensões. 
 
2. Uma barra cilíndrica em ferro fundido dúctil é submetida a ensaios giratórios com 
dobramento e alternados; os resultados dos ensaios (isto é, o comportamento S-N) 
estão mostrados na Figura abaixo. Se o diâmetro da barra é de 9,5 mm, determine a 
carga cíclica máxima que pode ser aplicada para assegurar que não irá ocorrer uma falha 
por fadiga. Assuma um fator de segurança de 2,25 e que a distância entre os pontos de 
suporte da carga seja de 55,5 mm. 
 
 
 
Figura. Tensão máxima (S) em função do logaritmo do número de ciclos até a falha por fadiga (N) para 
sete ligas metálicas. As curvas foram geradas usando ensaios giratórios com dobramento e ciclos de 
tensões alternadas. 
 
3. Os dados de fadiga para um latão são fornecidos a seguir. 
 
 
 
(a) Trace um gráfico S-N (amplitude de tensão em função do logaritmo do número de 
ciclos até a falha) usando esses dados. 
(b) Determine a resistência à fadiga a 4 × 106 ciclos. 
(c) Determine a vida em fadiga para 120 MPa. 
 
4. Suponha que os dados de fadiga para o latão no Problema 8.22 tenham sido obtidos a 
partir de ensaios giratórios com dobramento e que um eixo feito dessa liga deva ser usado 
como um eixo de automóvel que gira a uma velocidade de rotação média de 1800 
revoluções por minuto. Determine a amplitude de tensão máxima de torção que é possível 
para cada uma das seguintes vidas do eixo: 
(a) 1 ano 
(b) 1 mês 
(c) 1 dia 
(d) 1 hora 
 
5. Os dados de fadiga para um aço estão fornecidos a seguir. 
 
 
 
(a) Trace um gráfico S-N (amplitude da tensão em função do logaritmo do número de 
ciclos até a falha) usando esses dados. 
(b) Qual é o limite de resistência à fadiga dessa liga? 
(c) Determine as vidas em fadiga para as amplitudes de tensão de 415 MPa (60.000 psi) e 
275 MPa (40.000 psi). 
(d) Estime as resistências à fadiga a 2 × 104 e 6 × 105 ciclos. 
 
6. Três corpos de provas de fadiga idênticos (identificados como A, B e C) são fabricados 
a partir de uma liga não ferrosa. Cada um é submetido a um dos ciclos de tensão 
máxima-mínima listados na tabela a seguir; a frequência é a mesma em todos os três 
ensaios. 
 
 
(a) Classifique em ordem decrescente (da mais longa para a mais curta) as vidas em fadiga 
desses três corpos de provas. 
(b) Agora justifique essa classificação usando um gráfico S-N esquemático. 
 
 
 
 
 
Fatores que Afetam a Vida em Fadiga 
1. Explique sucintamente a diferença entre as estrias de fadiga e as marcas de praia em 
termos (a) do tamanho e (b) da origem. 
2. Liste quatro medidas que podem ser tomadas para aumentar a resistência à fadiga de 
uma liga metálica. 
Comportamento Geral em Fluência 
1. Determine a temperatura aproximada na qual a deformação por fluência se torna uma 
consideração importante para cada um dos seguintes metais: estanho, molibdênio, 
ferro, ouro, zinco e cromo. 
 
2. Os seguintes dados de fluência foram obtidos para uma liga de alumínio a 480°C 
(900°F) sob uma tensão constante de 2,75 MPa (400 psi). Trace um gráfico mostrando 
os dados em termos da deformação em função do tempo e, então, determine a taxa de 
fluência estacionária ou taxa de fluência mínima. Observação: A deformação inicial e 
instantânea não está incluída. 
 
 
 
3. Um componente cilíndrico construído a partir de uma liga S-590 (Figura 8.31) deve 
ser exposto a uma carga de tração de 20.000 N. Qual é o diâmetro mínimo 
necessário para que ele possua um tempo de vida, até a ruptura, de pelo menos 
100 horas a 925ºC? 
 
https://jigsaw.vitalsource.com/books/9788521632368/epub/OEBPS/Text/chapter8.html#ch8fig31
 
Figura. Gráfico da tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala 
logarítmica) para uma liga S-590 em quatro temperaturas. 
[A composição (em %p) da liga S-590 é a seguinte: 20,0 Cr; 19,4 Ni; 19,3 Co; 4,0 W; 4,0 Nb; 3,8 Mo; 1,35 
Mn; 0,43 C; e o restante Fe.] 
 
4. A partir da Equação 8.24, se o logaritmo de r for traçado em função do logaritmode σ, o resultado deverá ser então uma linha reta, cuja inclinação equivale ao 
expoente de tensão n. Considerando a Figura, determine o valor de n para a liga S-
590 a 925°C e para os segmentos de linha reta iniciais (isto é, para temperaturas 
mais baixas) nas temperaturas de 650°C, 730°C e 815°C. 
 
Figura.Gráfico da tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência estacionária (escala 
logarítmica) para uma liga S-590 em quatro temperaturas. 
 
 
https://jigsaw.vitalsource.com/books/9788521632368/epub/OEBPS/Text/chapter8.html#ch8fig32
Dureza 
6.54(a) Um indentador para dureza Brinell com 10 mm de diâmetro produziu uma 
indentação com diâmetro de 2,50 mm em um aço quando foi aplicada uma carga de 1000 
kg. Calcule a dureza HB desse material. 
(b) Qual será o diâmetro de uma indentação para produzir uma dureza de 300 HB quando 
for aplicada uma carga de 500 kg? 
 
6.55(a) Calcule a dureza Knoop quando uma carga de 500 g produz uma indentação com 
comprimento diagonal de 100 μm. 
(b) A dureza HK medida de um dado material é 200. Calcule a carga aplicada se a 
indentação tem um comprimento diagonal de 0,25 mm. 
 
 
6.56(a) Qual é o comprimento diagonal da indentação quando uma carga de 0,60 kg produz 
uma dureza Vickers HV de 400? 
(b) Calcule a dureza Vickers quando uma carga de 700 g produz um comprimento diagonal 
de indentação de 0,050 mm. 
 
6.57Estime as durezas Brinell e Rockwell para os seguintes materiais: 
(a) O latão naval para o qual o comportamento tensão-deformação está mostrado na figura 
abaixo. 
 
Figura. O comportamento tensão-deformação para o corpo de prova de latão. 
 
(b) O aço para o qual o comportamento tensão-deformação está mostrado na figura abaixo. 
https://jigsaw.vitalsource.com/books/9788521632368/epub/OEBPS/Text/chapter6.html#ch6fig22
 
Figura. Comportamento tensão-deformação em tração para um aço-liga.