Exercícios e Resumos

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Exercícios e Resumos...
Atividade- Fratura dos materiais / Aula 1 - Tipos de Falhas por Fratura
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.
 R.: Fluência.
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 fizessem “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.
 R.: Ressonância mecânica.
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.
R.: Altas taxas de deformação.
Atividade
Fratura dos materiais / Aula 2 - Aspectos Macroscópicos e Microscópicos da Fratura
1 - A partir da figura a seguir, que representa um corpo de prova fraturado, identifique se o mesmo apresenta fratura dúctil ou fratura frágil, justificando sua resposta.
GABARITO
A imagem exposta mostra a típica superfície taça-cone, característica da fratura dúctil, com deformação plástica.
2 - A partir da figura mostrada, que representa um corpo de prova fraturado, identifique se o mesmo apresenta fratura dúctil ou fratura frágil, justificando sua resposta.
GABARITO
A imagem revela uma superfície plana, sem deformação plástica ou com pouca deformação plástica, o que é característica de fratura frágil.
3 - A fratura por clivagem é uma fratura transgranular, que ocorre nos planos cristalográficos em que a tensão é máxima, não seguinte necessariamente aos contornos de grão do material. Considerando as figuras de microscopia eletrônica de varredura a seguir, determine qual delas está associada a fratura por clivagem. Justifique sua resposta.
GABARITO
A figura (b) representa a fratura por clivagem, uma vez que evidencia o caminho transgranular (através dos grãos). A figura (a) apresenta a fratura intergranular (entre os grãos), que segue o contorno de grão. Repare que os grãos aparecem na forma de poliedros multifacetados.
4 - A fratura a nível atômico representa o rompimento de ligações entre os átomos que constituem o material. Considerando a figura esquemática a seguir, marque a opção correta.
R.: A figura provavelmente representa uma fratura frágil, com percurso de trinca intergranular.
5 - Sabe-se que os materiais se deformam em função da sua plasticidade ou fragilidade. Considerando a figura a seguir, que mostra corpos de prova ensaiados até a fratura, identifique a opção que melhor descreve as fraturas.
R.: (a) Fratura frágil; (b) Fratura dúctil; (c) Fratura com 100% de espescoçamento.
6 - Em algumas situações em que acontece a interação entre elementos envolvidos na composição do material, ocorre a fragilização do contorno de grão, criando um caminho preferencial para trincas. Considerando o exposto, qual o tipo de fratura mais adequada para ser associada ao contexto?
R.: Intergranular.
Atividade -Aula 3 - Conceitos Iniciais de Mecânica da Fratura
Questão 1 - Suponha duas lâminas idênticas de vidro com dimensões 20 mm x 30 mm x 1mm. Uma delas é ensaiada em modo de tração até que ocorra o rompimento da mesma. Em seguida, a segunda lâmina é colocada durante um certo tempo em uma solução de ácido clorídrico (HCl) e ensaiada da mesma maneira que a primeira. É correto afirmar que:
R.: A segunda lâmina tem sua resistência mecânica aumentada, pois o HCl, agindo na superfície, “consome” uma pequena camada de vidro, diminuindo os defeitos superficiais, concentradores de tensões.
Questão 2 - Considere um corpo submetido a um ensaio de tração tal que a tensão normal média seja de 150 MPa. Se existe um pequeno furo circular neste corpo, funcionando como um concentrador de tensões e, supondo que o fator de concentração seja de 2,4, determine a maior tensão que ocorre nas proximidades do furo.
R.: 360,0 MPa.
Questão 3 - Em uma placa plana longa é aplicada uma força axial de 42 kN. Calcule a tensão máxima produzida em um entalhe elíptico passante presente nesta placa, cujos semieixos são iguais a 10 e 12 mm. As dimensões da seção reta são 15 mm e 40 mm.
R.: 340 MPa.
Atividade - 
1 - Considerando que o material a seguir é um polímero, qual regime de deformação pode ser considerado como predominante: o elástico ou o plástico? Justifique.
GABARITO
A partir das informações do enunciado, tem-se que o material é um polímero, ou seja, é o que coloquialmente chamamos de borracha. Na temperatura ambiente, esse tipo de material apresenta alta capacidade de deformação, tanto elástica, como plástica. A partir da pressão que sofreu, podemos supor tratar-se de uma deformação elástica, seguida de deformação plástica e consequente ruptura, ocorrendo, portanto, um estado elastoplástico de deformação.
Questão 2 - Considerando que um corpo de prova atua predominantemente em regime de deformação elástica até sofrer fratura, determine qual abordagem é mais adequada para estudar o fenômeno.
R.:Mecânica da fratura linear elástica.
Questão 3 - Ao se examinar um corpo antes de sofrer fratura, percebeu-se que a seção reta remanescente do corpo (aquela que ainda não havia sofrido fratura) foi pequena e que a mesma pode ser completamente envolvida por uma zona plástica. Qual a forma correta de se estudar o fenômeno descrito?
R.: Através da Mecânica da fratura elastoplástica.
Questão 4 - É amplamente aceito que a Mecânica da Fratura Elastoplástica é essencial para a análise e escolha de aços de médio e baixo carbono. Entre as opções a seguir, escolha a que melhor se adequa a esta afirmação.
R.: Isto ocorre em consequência da presença de deformação plástica nos processos de fratura desses aços.
	
Atividade - Aula 5 - Fratura por fadiga... 
1 - Observe a figura a seguir. Considere que um tanque de água está sujeito a um processo de completa drenagem de três em três meses para que seja realizada uma limpeza intensa. Sabendo-se que durante esse processo o material é submetido a tensões dinâmicas, que variam de 0 (tanque vazio) a 60% do limite de escoamento quando o tanque encontra-se cheio. Sabendo-se que o material é capaz de suportar até 102 ciclos, calcule sua vida útil expressa em anos, após a qual o tanque sofrerá fratura.
Dica: considere o fenômeno da fratura por fadiga e estabeleça uma relação linear (regra de três) para obter o tempo em anos antes da ruptura.
GABARITO
Como o tanque sofre completo esvaziamento de três em três meses, tem-se que ocorrem quatro esvaziamentos em um ano, ou seja, quatro ciclos ocorrem em um ano. Cem ciclos (102) ocorrerão em 25 anos, período que representa a vida útil do tanque.
2 - Com relação ao fenômeno da fratura sob fadiga, só NÂO podemos afirmar:
-A trinca geralmente surge em um detalhe do material que representa um concentrador de tensões, o que pode ser representado por uma falha de fabricação ou manufatura.
-A fratura também pode se originar em um “defeito” superficial, como riscos, ângulos vivos, rasgos de chaveta, fios de rosca e mossas oriundas de pancadas.
-Mesmo um material sem defeitos superficiais pode apresentar detalhes concentradores de tensão, como extrusões e inclusões oriundas do deslizamento de planos atômicos.
R.: As trincas se propagam a partir da atuação das tensões dinâmicas sobre o material somente quando estas assumem valores acima do limite de escoamento do material.
(CERTO)
-A propagação da trinca ocorre quando o material está submetido a tensões trativas que resultem em tensões acima do limite de escoamento na ponta datrinca.
3 - Sobre os modelos físico-matemáticos que descrevem o fenômeno da falha por fadiga, podemos afirmar, com EXCEÇÃO de:
-O modelo S-N é o mais antigo, sendo muito utilizado em projetos de componentes mecânicos que funcionam em regime rotativo, como eixos virabrequim de automóveis.
-No modelo S-N, considera-se que períodos de inatividade na utilização do componente não são significativos para o fenômeno da fadiga se o corpo estiver em um ambiente não corrosivo.
-Existem várias técnicas de ensaio relacionadas à curva S-N, originadas a partir dos experimentos de Wöhler, que submeteu um eixo giratório em balanço a um carregamento de flexão.
R. : O ensaio de flexão rotativa é um ensaio de Fadiga a Baixas Ciclos (FBC) e é realizado a partir de campo de tensões-trativo e compressivo até ocorrer a ruptura do corpo de prova. (CERTO) 
-A grande dispersão de dados na curva S-N é uma função da grande quantidade de corpos de prova utilizados e suas diferenças macro e microestruturais.
4 - A resistência à fadiga dos materiais é altamente influenciada por alguns fatores que devem ser considerados nos projetos de Engenharia; entre estes fatores só NÃO podemos citar:
-Tensão média aplicada ao material.
-Estado da superfície do material.
-O tratamento superficial nitretação.
-O tratamento superficial carbonetação.
R.: Pintura com tintas de cores “frias”.( CERTO)
Aula 6 - Aplicação da mecânica da fratura na fadiga
Atividade
1 - Considere um avião durante um ciclo completo de trabalho, ou seja, taxiamento na pista, decolagem, deslocamento de cruzeiro, ocorrência de turbulência, aterrissagem e taxiamento final. Na figura a seguir, o gráfico mostra um perfil das tensões dinâmicas que atuam nas asas do avião.
Durante que fases a propagação de uma eventual trinca seria um evento improvável?
GABARITO
Como estudamos, o fenômeno da fratura por fadiga se apresenta em um estado preferencial de tensões, sendo que durante o ciclo de trabalho exposto na figura, temos tensões trativas e compressivas. Durante as duas etapas de taxiamento, temos tensões cíclicas, porém, somente no estado compressivo, que tende a fechar as trincas, podemos afirmar que a fratura por fadiga é uma possibilidade remota. A partir da decolagem, todas as tensões continuam cíclicas, agora em estado trativo, situação favorável à nucleação e propagação e trinca e, portanto, favorável à fratura por fadiga.
2 - Considerando o fenômeno da fratura de um material submetido a fadiga, assinale a opção correta.
No fenômeno da fadiga, o crescimento de uma trinca é sempre catastrófico não havendo possibilidade de imobilização.
A nucleação de trincas é uma ocorrência que ocupa um longo período de tempo na vida de um corpo sob fadiga.
No fenômeno da fadiga, existe uma fase de crescimento subcrítico da trinca, ou seja, o crescimento não é sempre catastrófico.
A nucleação de trincas ocorre durante vários ciclos no fenômeno da fadiga, sendo sempre de origem superficial.
O fator de intensidade de tensões é uma parâmetro da Mecânica da Fratura Linear Elástica-MFLE que não é utilizado no entendimento da fadiga.
3 - Considerando-se o modelo de Paris-Erdogan para análise do fenômeno da fadiga, assinale a opção correta:
No estágio I ocorrem grandes taxas de crescimento da trinca.
No estágio III ocorrem taxas de crescimento de trinca superiores a 10-5 m/ciclo, porém, não há envolvimento de descontinuidades no processo de crescimento da trinca.
No estágio II, a deformação na ponta da trinca pode estender-se por meio dos grãos, conferindo um caráter essencialmente plástico a propagação da trinca.
A expressão de Paris-Erdogan representa muito bem os três estágios da propagação de trinca, servindo como excelente ferramenta de projeto para os engenheiros.
No modelo de Paris-Erdogan, podemos identificar quatro estágios, denominados pelos algarismos romanos I, II, III e IV.
4 - A contribuição de Paris e Erdogan para a análise do fenômeno da fratura se tornou essencial para a moderna engenharia, permitindo a utilização de componentes mecânicos mesmo quando os mesmos apresentam pequenas trincas. Com relação a este modelo, podemos afirmar, com EXCEÇÃO de:
As pesquisas associadas à região II ou região intermediária de crescimento de trinca nos indicam a influência da microestrutura do material na velocidade da trinca.
Na região III, podemos verificar mecanismos de fratura semelhantes aos que ocorrem em carregamentos estáticos, representados por clivagem intergranular, transgranular e coalescência de segunda fase, como partículas diferentes da matriz ou vazios.
Verificou-se, experimentalmente, que existe um limite para a variação do fator de intensidade de tensões, ∆Ko, para o qual não há propagação de trinca.
A região de altas taxas de crescimento corresponde à região II representa parte da mecânica da fratura ainda com pouco conhecimento desenvolvido quando comparada a região III.
A resistência mecânica do material é outro fator que afeta ∆Ko, porém de maneira inversa, ou seja, quanto maior a resistência mecânica do material, menor ∆Ko.
Fratura dos Materiais / Aula 7 - Fratura por fluência
ATIVIDADES
Considere um determinado aço ferrítico cujo parâmetro de Larson-Miller é fornecido pelo gráfico a seguir.
Com base nas informações fornecidas, determine a vida do componente até a ruptura, considerando que o mesmo está operando a 950K sob tensão de 100MPa.
GABARITO
Observando o gráfico anterior, tem-se que para a tensão mencionada, o parâmetro de Larson-Miller é igual a 33.000.
Utilizando a expressão m =T (C+logtr), tem-se:
33.000 =950 (33+logtr) ➔ 34,74=33+ logtr ➔ logtr= 34,74 -33 ➔ logtr= 1,74 ➔
tr= 101,74➔ 54,95 horas.
Atividade
1 - A figura a seguir mostra a aeronave franco-britânica Concorde. Único avião a realizar voos comerciais acima da velocidade do som, atingindo Mach 2 (duas vezes a velocidade do som - 2.220Km/h), sendo capaz de fazer a distância entre Londres e Nova York em 3 horas e meia (em avião convencional, a distância é percorrida entre 7 e 8 horas). Quando o Concorde atingia Mach 2, podia-se verificar temperaturas na ordem de 100oC em suas asas, que estavam submetidas à tração e compressão cíclicas.
Nesse contexto, descreva os possíveis mecanismos de criação de trincas e deformação plástica.
GABARITO
Considere que há dois mecanismos atuando na aeronave, um referente a esforços cíclicos, característicos em qualquer avião, o que nos conduz ao fenômeno da fadiga, como visto nas aulas 5 e 6, e outro referente à criação de temperaturas elevadas nas asas do engenho, o que facilita a movimentação de diversas estruturas/defeitos microscópicos, na ordem de grandeza atômica, como lacunas, discordâncias e contornos de grão, resultando em deformações plásticas macroscópicas, o que conhecemos como fluência.
2 - O fenômeno da fluência pode ser dividido em três etapas, denominadas de fases da fluência. Em relação a essas fases, só NÃO podemos afirmar:
a) A região I é também conhecida como transiente e é caracterizada pela taxa de deformação decrescente ao longo do tempo.
b) Na região I, a diminuição da taxa de deformação é uma consequência do encruamento do material, que dificulta a deformação.
c) Na região II, a taxa de deformação é constante e é a mais duradoura das três fases da fluência.
d) Na região II, a constância da taxa de deformação resulta da diminuição do processo de encruamento.
e) Na região III, ocorre o aumento da taxa de deformação, resultando na ruptura do material.
3 - Com relação aos efeitos da temperatura e da tensão sobre a fluência, NÃO podemos afirmar:
a) O aumento da temperatura provoca o aumento da deformação inicial.
b) O aumento da tensão provoca a diminuição da deformação inicial.
c) O aumento da temperatura provoca o aumento da taxa de deformação no período de fluência estacionária.
d) O aumento da tensão provoca o aumento da taxa de deformação no período de fluência estacionária.
e) O aumento da temperatura e da tensão provoca a diminuição do tempo de vida do corpo de prova até a ruptura.
4 - Considerando o fenômeno de fraturaassociado a fluência, podemos afirmar, com EXCEÇÃO de:
a) O aumento de temperatura provoca tanto a diminuição da resistência à fadiga quanto à fluência.
b) Os aços inoxidáveis são materiais adequados aos projetos que pretendem oferecer boa resistência a fluência.
c) Um material com estrutura de grãos mais fina oferece maior resistência a fluência.
d) Os aços com maior módulo de elasticidade oferecem maior resistência a fluência.
e) O material com maior ponto de fusão é mais resistente a fluência.
 Aula 8 - Fratura por Corrosão (Parte I)
Atividades
1 - A Figura a seguir mostra um parafuso de aço 1020 que prende uma chapa de aço inoxidável localizada nos arredores de ambiente marinho altamente corrosivo. Ao longo de alguns meses, o aço terá sofrido perda de material, ocorrendo a diminuição da seção reta do parafuso e consequente fratura.
Nesse contexto, descreva possíveis maneiras de se evitar a corrosão e a consequente fratura.
GABARITO
• Tentar isolar eletricamente os dois metais que construirão a junção;
• Adotar um terceiro metal com características anódicas mais acentuadas que os outros dois metais mencionados no enunciado, permitindo que ele seja consumido, poupando os dois tipos de aço essenciais ao funcionamento da estrutura.
2 - A serie galvânica dos elementos e substâncias descreve a maior ou menor suscetibilidade destes em se comportar como anodo ou catodo.
Entre os elementos a seguir, selecione aquele que apresenta maior caráter anódico:
a) Ouro.
b) Platina.
c) Magnésio.
d) Chumbo.
e) Zinco.
3 - Entre as medidas utilizadas para se evitar a correção galvânica, podemos citar, com EXCEÇÃO de:
a) Colocar em contato metais que estejam próximos na série galvânica.
b) Adotar uma razão entre áreas anodo/catodo o maior possível
c) Tentar isolar eletricamente os dois metais que construirão a junção.
d) Adotar um anodo de sacrifício com material mais nobre que os outros dois materiais que já participam da estrutura.
e) Isolar os dois metais que participam do componente para que não tenham contato.
4 - Considerando os diversos tipos de corrosão, determine o item que oferece um descrição INCORRETA:
a) A corrosão intergranular é um problema particularmente importante quando lidamos com aços inoxidáveis a temperaturas entre 500°C e 800°C, contexto em que ocorre a difusão para o contorno de grão do elemento carbono e do cromo, formando o carbeto de cromo (Cr23C6). O aumento de temperatura provoca tanto a diminuição da resistência à fadiga quanto à fluência.
b) A corrosão em frestas é uma possibilidade de corrosão entre dois metais de mesma composição, porém os mesmos devem estar umedecidos por solução eletrolítica em que haja diferença na concentração de íons e gases.
c) Corrosão sob tensão é o tipo de corrosão que ocorre em materiais submetidos a processos de corrosão e ao desgaste mecânico da ação de um fluido, líquido ou gasoso, em movimento, como o que ocorre no interior de tubulações, principalmente nas partes curvas ou mudanças abruptas de diâmetro.
d) Corrosão por pites se caracteriza pela formação de pites ou buracos a partir da superfície que penetram verticalmente no material, originando um acentuado concentrador de tensões.
e) A corrosão uniforme é um fenômeno aleatório que atinge toda a superfície do metal.
Atividade
1- A micrografia a seguir mostra microtrincas de um material fabricado com aço inoxidável austenítico submetido a ambiente marinho e a grandes cargas.
Nesse contexto, descreva possíveis maneiras de se evitar a corrosão e a consequente fratura. Considere que há dois mecanismos atuando na peça: tensão e corrosão.
GABARITO
O corpo de prova em questão está submetido à corrosão sob tensão, ou seja, o tipo de corrosão observada em estruturas sob a cargas em ambientes corrosivos. Uma das maneiras de minimizar esse efeito é redimensionar a carga aplicada ao componente, diminuindo a intensidade do fenômeno.
2- A mecânica da fratura linear elástica (MFLE) é utilizada em conjunto com as modelagens químicas para compreensão do fenômeno da corrosão, sendo ferramenta essencial no entendimento das condições que conduzem a fratura. Com relação a MFLE só NÃO podemos afirmar:
Embora seja um método consagrado para determinação em laboratório do valor de KIC, descrito na norma ASTM E-399, sua variação para utilização em ambientes corrosivos não se encontra ainda normatizada.
O dispositivo adaptado para utilização em meio corrosivo possui uma célula de corrosão com solução que simula o efeito do ambiente em que a peça irá operar.
Na adaptação do método para uso em corrosão, constata-se que existe um valor K abaixo do qual não ocorre crescimento subcrítico de trinca (KIEAC do material, onde EAC é "Environment Assisted Cracking").
O valor de KIEAC de aços e ligas de titânio aparece bem definido no gráfico obtido por este ensaio para obtenção de KIC.
R.: O valor de KIEAC para ligas de alumínio é o que possui maior definição no gráfico obtido por este ensaio para obtenção de KIC.
3- Com relação ao fenômeno da “fadiga assistida pelo meio ambiente”, NÃO podemos afirmar:
As formas de corrosão desempenham papel fundamental nesse fenômeno, criando concentradores de tensão.
A frequência dos esforços cíclicos influencia a fadiga sob corrosão, pois quanto menor a frequência, maior o tempo em que a trinca ficará submetida a esforços trativos e, portanto, aberta, sendo exposta a atmosfera oxidante.
Formas de evitar a fadiga sob corrosão conjugam as formas vistas de se evitar o fenômeno da corrosão em conjunto com o fenômeno da fadiga.
R.: A fadiga sob corrosão é uma rara ocorrência em peças metálicas que operam em ambientes de atmosfera salina.
A corrosão por pites cria pequenos orifícios na superfície do material, fazendo o papel de pequenas trincas superficiais.
4- Considerando o fenômeno da fragilização por hidrogênio podemos afirmar, com EXCEÇÃO de:
a- R.: O hidrogênio molecular H2, assim como hidrogênio atômico, H, provoca o que normalmente denominamos de “fratura por fragilização por hidrogênio”.
b- Esse tipo de fragilização ocorre quando o hidrogênio atômico encontra-se inserido na rede cristalina do material.
c- A susceptibilidade dos materiais a esse fenômeno é variável. Para aços de altíssima resistência mecânica (1.600 MPa), o hidrogênio presente no ar atmosférico pode gerar significativa diminuição KIEAC.
d- 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 a fragilização por hidrogênio.
e- Como forma de minimizar o problema causado pelo hidrogênio, pode-se considerar a execução de tratamento térmico, que promova a difusão do hidrogênio através da rede cristalina e sua consequente saída do material.
Aula 10 - Exemplos de aplicação da Mecânica da Fratura
Atividade
1 - Considere um aço inoxidável ferrítico que suportou 120 horas de trabalho sob uma temperatura de 900K. Sabendo-se que o mesmo possui uma variação do parâmetro de Larson-Miller como mostrado no gráfico a seguir, determine aproximadamente a que tensão o mesmo foi submetido.
Dica: determine o parâmetro de Larson-Miller por meio de m=T(33+logtr), localize o mesmo no eixo horizontal do gráfico, e veja seu correspondente no eixo vertical.
GABARITO
m=T(33+logtr) → m=900.(33+log 120) = 31.500 aproximadamente.
A partir do gráfico abaixo, podemos obter a tensão.
Tensão =160MPa.
2 - Na seleção de materiais que envolvem tensão e temperatura, utilizamos:
a) A tenacidade a fratura.
b) A expressão de Larson-Miller.
c) A expressão da/dN.
d) Os gráficos de concentradores de tensão.
e) A tenacidade à fratura crítica.
3 - Na seleção de materiais que envolvem esforços cíclicos, utilizamos:
a) A tenacidade a fratura.
b) A expressão de Larson-Miller.
c) A expressão da/dN.
d) Os gráficos de concentradores de tensão.
e) A tenacidade à fratura crítica.
4 - Na seleção de materiais que envolvem propagação de trinca a partir de tensão crítica, utilizamos:
a) A tenacidade a fratura.
b) A expressão de Larson-Miller.
c) A expressão da/dN.
d) Os gráficosde concentradores de tensão.
e) A tenacidade à fratura crítica.