Tipos de Falhas por Fratura

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Fratura dos materiais
Aula 1 - Tipos de Falhas por Fratura
INTRODUÇÃO
É responsabilidade do engenheiro projetista assegurar que o componente idealizado não sofra falhas que resultem em
fraturas e que trabalhe dentro das tolerâncias de variações dimensionais determinadas no projeto.
Para isso, é necessário que o engenheiro conheça os diversos tipos de fratura e suas causas como, por exemplo: a
fratura em consequência de sobrecarga, a fratura devido a altas taxas de deformação, a fratura por ressonância
mecânica, a fratura em consequência da intensi�cação do campo de tensões devido a defeitos internos ou super�ciais,
a fratura por fadiga, a fratura por �uência, a fratura por corrosão sob tensão e a fratura por fragilização por hidrogênio.
Nesta aula introdutória a disciplina Fratura dos Materiais, vamos apresentar alguns aspectos gerais dos mecanismos
ou tipos de fratura mencionados, deixando as especi�cidades para serem abordadas mais profundamente nas aulas
seguintes.
OBJETIVOS
Compreender a diferença entre fratura frágil e fratura dúctil.
Identi�car os diversos tipos de falhas por fratura.
TIPOS DE FALHAS POR FRATURA
Fonte da Imagem: Kimtaro / Shutterstock
Antes de identi�carmos os tipos, vamos reconhecer o conceito de fratura.
Fratura é a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes sob ação de tensão e em
consequência do surgimento e propagação de trincas.
A Engenharia de Materiais e a Mecânica originaram diversos modelos cientí�cos que nos levam a entender o
surgimento e a propagação das trincas, muitos dos quais iremos estudar; porém ainda assim é difícil prever todos os
casos em que a fratura poderá ocorrer, dada a complexidade de variáveis envolvidas no fenômeno, como:
Variação de temperatura;
Tratamento térmico;
Taxa de deformação;
Processos de fabricação;
Projetos inadequados;
Utilização inadequada do equipamento.
Quem é o responsável por prever falhas e se utilizar de inspeções periódicas para avaliar a necessidade de substituição
de componentes?
Uma situação presente na prática do dia a dia é a falha de componentes pela existência de trincas.
Nessa situação, a falha ocorre para tensões abaixo das tensões especi�cadas em projeto. A fratura associada ao
fenômeno descrito é denominada frágil e se caracteriza pela baixa deformação plástica, principalmente quando
associada ao elemento concentrador de tensões.
São concentradores de tensões típicos:
Em contrapartida, temos a fratura dúctil, que é aquela que ocorre com a presença de deformação plástica (glossário),
após um período de deformação elástica (glossário).
Observe a �gura a seguir, que revela alguns concentradores de tensões típicos em engenharia.
Existem várias origens para as trincas, entre as quais podemos citar:
As que ocorrem durante o processo de solidi�cação;
As que se originam em consequência do hidrogênio presente em alguns processos de soldagem e fundição;
As que são nucleadas em componentes em condições de fadiga;
As que se originam nos processos de �uência;
As que ocorrem nos processos de corrosão sob tensão.
A �gura a seguir mostra uma imagem obtida por microscopia eletrônica de varredura, ilustrando a evolução de uma
trinca em um componente mecânico, o que conduzirá ao colapso e inutilização do mesmo.
Analisaremos, agora, cada um dos tipos de fratura mencionados na introdução.
FRATURA POR SOBRECARGA
Fonte da Imagem:
Os materiais estruturais são projetados para funcionar no regime de deformação elástica, ou seja, cessado o estímulo
da deformação, o corpo retorna às dimensões originais, previstas no projeto.
Quando um componente estrutural passa a apresentar deformação plástica (aquela que não desaparece com o cessar
do estímulo), provavelmente perdeu suas características dimensionais necessárias ao funcionamento de uma
estrutura maior no qual se encontra inserido, como mostrado na �gura a seguir, em que o guindaste teve sua estrutura
deformada em consequência de sobrecarga.
Essa tensão de transição entre o regime elástico e o regime plástico é chamada de tensão de escoamento.
Para a maioria dos materiais, a tensão de escoamento pode ser determinada quando a curva tensão-deformação se
afasta da linearidade.
Para simpli�car a questão de identi�cação do ponto de escoamento, convencionou-se que o mesmo corresponde a
uma deformação de 0,002 para os materiais que apresentam a fase elástica linear, como mostrado no ponto A da
próxima �gura.
O grá�co tensão-deformação de engenharia presente revela as diversas fases de deformação pelas quais um corpo de
prova de seção reta circular passa ao ser submetido a uma carga de tração gradativamente crescente.
O limite de resistência à tração, LRT, é o ponto B, ponto máximo do grá�co, e representa a maior tensão suportada pelo
material, ou seja, se essa tensão for aplicada e mantida, o material sofrerá fratura.
Embora o ponto C represente a ruptura do corpo de prova, é o ponto B que nos interessa para representar a máxima
resistência à tração.
Atenção
, Nas áreas próximas ao ponto B, começa a se manifestar o fenômeno denominado de estricção, empescoçamento ou
estrangulamento, que representa a diminuição da área da seção reta do corpo de prova.
FRATURA DEVIDO A ALTAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO (CARGA DE
IMPACTO)
Em algumas situações, materiais reconhecidamente dúcteis apresentam fratura frágil.
Em função da incapacidade da rede atômica em responder plasticamente ao campo de tensões que rapidamente se
estabelece, ou seja, a rede cristalina não possui o tempo necessário para se movimentar e assim gerar a deformação.
Isso ocorre não só em altas taxas de deformação (impactos, por exemplo), mas também a baixas temperaturas ou em
estados triaxiais de tensão.
Dessa forma, devemos saber até que temperatura a estrutura é capaz de absorver energia de deformação sem se
fraturar catastro�camente como um material frágil, fenômeno exempli�cado na �gura a seguir.
Em laboratório, esta temperatura de transição dúctil-frágil é determinada através do ensaio de Charpy (glossário).
FRATURA POR RESSONÂNCIA MECÂNICA
Todos os materiais apresentam frequênciais naturais de vibração quando solicitados externamente. O fenômeno da
ressonância mecânica ocorre quando o estímulo externo ocorre na mesma frequência natural de vibração do material,
provocando amplitudes de vibração cada vez maiores, até que o objeto sofra fratura.
Fonte da Imagem:
Um caso famoso é a ponte sobre o Estreito de Tacoma, em Washington, nos Estados Unidos, em novembro de 1940,
quando ventos com velocidade média de 70km/h provocaram modos de vibração longitudinais (ao logo da ponte) e
modos de vibração torsionais, que resultaram na ruptura da ponte.
FRATURA DEVIDO À EXISTÊNCIA DE TRINCAS (DE SOLIDIFICAÇÃO E
EM CORDÕES DE SOLDA)
As fraturas presentes nos cordões de solda geralmente se originam devido a solidi�cação de volumes do cordão de
solda em diferentes intervalos de tempo, o que pode originar um campo de tensões residuais mesmo após o material
encontrar-se completamente solidi�cado.
Isso pode ocorrer devido à segregação de componentes químicos no cordão de solda, criando volumes com diferentes
temperaturas de solidi�cação.
FRATURA POR FADIGA
Quando ocorre falha ou fratura por fadiga?
Quando o material é submetido a tensões cíclicas como ocorre, por exemplo, em aeronaves, componentes de
máquinas e pontes.
Nessas condições, as fraturas ocorrem catastro�camente em limite de tensão inferior ao limite de resistência dos
materiais e até mesmo em limites inferiores ao limite de escoamento.
Na �gura a seguir, tem-se uma engrenagem que sofreu fratura por fadiga.
ATIVIDADE
1 - A �gura a seguir, mostra um planador com sua asa fraturada. Identi�que o tipo de mecanismo de fratura
provavelmente responsável pelo acidente.
Resposta Correta
FRATURA POR FLUÊNCIA
Em diversas situações, os componentes projetados pelo engenheiro trabalham sob tensões mecânicas estáticas e
também sob temperaturas superiores às temperaturas ambientes, como as tubulações de uma linha de vapor a alta
pressão.Nesses casos, os componentes sofrem deformação, havendo a possibilidade real de ocorrer fratura, com mostrado na
�gura a seguir.
Temos: (a) Aparência externa de tubulação fraturada por �uência; (b) Corte transversal da
mesma tubulação, evidenciando a presença de trincas.
FRATURA POR FRAGILIZAÇÃO POR HIDROGÊNIO
Diferentemente do hidrogênio molecular H , o hidrogênio atômico H origina a fratura comumente denominada fratura
por fragilização por hidrogênio.
QUANDO ESSE TIPO DE FRATURA OCORRE?
2
Fonte da Imagem:
Quando o hidrogênio atômico encontra-se inserido na rede cristalina do material, o que pode ocorrer durante os
processos de fundição do material, de decapagem por ácido sulfúrico e de eletrodeposição, somente para exempli�car
alguns casos; pode ocorrer também quando o material é submetido a uma atmosfera rica em hidrogênio (vapor-d'água,
por exemplo) a altas temperaturas, como ocorre durante tratamentos térmicos ou processos de soldagem.
Na �gura ao lado, tem-se um exemplo de fratura de um vaso de pressão devido à fragilização por hidrogênio.
Alguns compostos que retardam a formação do hidrogênio molecular, aumentando o tempo médio de vida do
hidrogênio atômico, como o arsênio e o sulfeto de hidrogênio são corriqueiramente denominados de venenos no
contexto do processo de fragilização por hidrogênio.
Geralmente, os aços de maior resistência são os mais suscetíveis à ação fragilizadora do hidrogênio, como os aços
martensíticos, enquanto os aços ferríticos, bainíticos e globulizados são relativamente imunes.
As ligas de estrutura atômica cúbica de corpo centrado (CFC), os aços inoxidáveis austeníticos, as ligas de alumínio e
as ligas de cobre possuem boa resistência à fragilização por hidrogênio.
Atenção!
, Como forma de minimizar o problema causado pelo hidrogênio, pode-se considerar a execução de tratamento térmico que
promove a difusão do hidrogênio através da rede cristalina e sua consequente saída do material. Entretanto, é necessário
considerar se o mesmo tratamento não acrescentará propriedades mecânicas indesejáveis ao material.
1 - Um aço é escolhido para a fabricação de uma haste que foi submetida a tensão estática abaixo do limite de
resistência do material, em temperaturas superiores a temperatura ambiente. Após alguns meses de uso, a haste se
rompeu. Determine qual terá sido, provavelmente, o fenômeno que motivou a fratura.
Fadiga.
Corrosão.
Fluência.
Sobrecarga.
Ressonância mecânica.
Justi�cativa
2 - Para transpor um rio, um grupamento militar construiu uma estrutura capaz de suportar a passagem dos soldados e
suas viaturas. Ao comandar o deslocamento do grupo de militares, o comandante esqueceu de ordenar que o �zessem
“sem cadência”, ou seja, que não marchassem sobre a ponte. Após alguns minutos de travessia, a estrutura se rompeu.
Determine qual foi provavelmente o fenômeno que motivou a fratura.
Fadiga.
Corrosão.
Fluência.
Sobrecarga.
Ressonância mecânica.
Justi�cativa
3 - Em 28 de janeiro de 1986, alguns minutos após seu lançamento, o ônibus espacial Challenger explodiu. Como
possível falha foi apontada o rompimento de anel de borracha (o-ring) associado aos tanques de combustível. O
rompimento ocorreu em consequência da baixa temperatura em que o anel vedador foi submetido. Determine qual foi
provavelmente o fenômeno que motivou a fratura.
Fadiga.
Corrosão.
Fluência.
Altas taxas de deformação.
Ressonância mecânica.
Justi�cativa
Glossário
DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
É aquela que permanece após a retirada dos esforços que a provocaram.
DEFORMAÇÃO ELÁSTICA
É aquela que desaparece após a retirada dos esforços que a provocaram.
ENSAIO DE CHARPY
É um dos métodos para determinar a resistência e sensibilidade dos materiais quando submetido a uma certa carga de impacto.
O objetivo principal é medir a quantidade de energia absorvida pelo material durante a fratura. São essenciais para garantir a
segurança, con�abilidade e qualidade dos mais diversos materiais. É muito utilizado no setor automobilístico, de aeronaves e em
peças especí�cas utilizadas na indústria.
Fonte: //www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/7379-ensaio-charpy-mede-a-
resistencia-dos-materiais (//www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/7379-
ensaio-charpy-mede-a-resistencia-dos-materiais). Acesso em 02 jun. 2017.
https://www.cimm.com.br/portal/noticia/exibir_noticia/7379-ensaio-charpy-mede-a-resistencia-dos-materiais