Aula 14 - Falhas

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Aula 14 – Falhas
Universidade Federal de Santa Catarina
Centro de Engenharias da Mobilidade
Prof. Gabriel Benedet Dutra
Por que estudar?
 Analisar uma falha é interpretar as características de um sistema ou
componente deteriorado para determinar porque ele não mais
executa sua função com segurança e para evitar novas falhas.
 Conhecer a mecânica dos diferentes tipos de falhas é importante
para o projeto de um componente ou estrutura a fim de minimizar a
possibilidade de ocorrência de danos ao equipamento quando sujeito
a condições extremas.
Introdução
 Causas: seleção e processamento de materiais de maneira não
apropriada e um projeto inadequado do componente ou má utilização.
 Responsabilidade do engenheiro: antecipar e planejar considerando
possíveis falhas – caso ocorra: avaliar suas causas para que não ocorram
mais – muito utilizado na indústria aeronáutica.
 Processo de fratura envolve duas etapas: formação e propagação de
trincas em resposta a imposição de uma tensão.
 O modo da fratura é dependente do mecanismo de propagação de
trincas.
Fundamentos da fratura
FrágilDúctil
Fratura
Extensa deformação plástica na
vizinhança de uma trinca que está
avançando.
Estável: não cresce
espontaneamente
Propagação rápida das trincas
com pouca deformação plástica.
Instável: cresce
espontaneamente.
Desejável Indesejável - repentina
• Habilidade do material em apresentar deformação plástica
Fundamentos da fratura
Tipos de fratura
Metais macios – Au, Pb
em T ambiente, polímeros.
Redução da área
virtualmente até 100%.
Fratura mais comum para 
metais dúcteis – fratura é 
precedida por um 
empescoçamento
Fratura frágil, sem
apresentar deformação
plástica
Tipos de fratura
Fratura dúctil
a) Empescoçamento inicial;
b) Formação de pequenos
vazios;
c) Coalescência e cavidades
para formação da trinca
elíptica – paralelo ao eixo
principal da trinca;
d) Propagação da trinca ao
redor do perímetro externo
do pescoço;
e) Fratura com cisalhamento.
Fratura taça ou cone – 45o
Fratura dúctil
Fratura taça ou cone
Aparência irregular e fibrosa –
deformação plástica
Fratura dúctil- análise fractográfica
Aumento 3300X – MEV –
microcavidades esféricas
devido a tração uniaxial
Aumento 5000X – MEV –
microcavidades parabólicas
devido a cisalhamento – 45o
Fratura frágil
• Ocorre sem qualquer deformação apreciável e pela rápida propagação de uma
trinca.
• A direção de movimento da trinca é aproximadamente perpendicular a direção
da tensão aplicada – superfície de fratura praticamente plana.
Nervuras radiais em formato de leque – ampliação de 2X.
Fratura frágil
• Fratura transgranular – trincas da fratura passam através dos grãos;
• Clivagem: ruptura de ligações atômicas de forma sucessiva ao longo de planos
cristalográficos específicos
Propagação da trinca no interior dos 
grãos – MEV Ferro Fundido
Fratura frágil
• Fratura intragranular – trincas da fratura se dão ao longo dos contornos de grão.
• Resulta após a ocorrência de processos que enfraquecem ou fragilizam as
regiões dos contornos de grãos.
Propagação da trinca no contorno de grão 
natureza 3D dos contornos 
Princípios da mecânica da fratura
• Mecânica da fratura: quantificar as relações entre as propriedades dos
materiais, o nível de tensão, a presença de defeitos geradores de trincas
e os mecanismoss de propagação de trincas.
• Historicamente:
1982
EUA – U$ 119 bilhões
s/ conhecimento
Gastos devido a 
problemas por
fratura
EUA – U$ 56 bilhões
c/ conhecimento
Princípios da mecânica da fratura
Princípios da mecânica da fratura
Princípios da mecânica da fratura
Concentração de tensões
 A resistência a fratura média para a maioria dos materiais frágeis é
menor que aquela obtida por meio dos cálculos baseados em
energias de ligações atômicas.
 Explicado pela presença de defeitos e microtrincas.
 Estes pontos apresentam-se como um ponto de início de uma fratura
quando é realizada a aplicação de uma tensão – concentram tensões.
Efeito concentrador de tensões
A tensão diminui em função da distância com relação a trinca/ defeito – tornando-se a 
tensão nominal o (carga aplicada a sessão transversal da amostra pela área)
Concentrador de tensão
Efeito concentrador de tensões
• Considerando-se uma trinca como sendo um furo elíptico vazante a uma placa
que se encontra orientado perpendicularmente à tensão aplicada, a tensão
máxima do material com uma trinca será dada por:
Comprimento de uma trinca
superficial ou ½ trinca
interna
Tensão nominal
Efeito concentrador de tensões
Podemos também escrever:
Fator de concentração de tensões
Medida do grau pelo qual uma tensão aplicada externamente é 
aumentada na extremidade de uma trinca
Efeito concentrador de tensões
Concentração de tensões: materiais frágeis
• O efeito do concentrador de tensões é mais significativo em materiais frágeis
que dúcteis;
• Ocorre deformação plástica – melhor distribuição de tensões
• Griffith estabeleceu um balanço entre a energia de deformação elástica e a
formação de novas superfícies;
• Para a propagação de uma trinca em um material frágil a tensão crítica deve
ser:
E: módulo de elasticidade
𝛾𝑠 = energia de superfície específica
a= metade de um comprimento de uma trinca interna
Relação entre a tensão crítica para propagação de uma trinca e o 
comprimento da trinca:
Kc – tenacidade a fratura: propriedade que mede a resistência de um 
material a uma fratura frágil quando uma trinca está presente.
Y – parâmetro que depende do tamanho e da geometria da trinca e da 
amostra e do modo de aplicação da carga.
Tenacidade a fratura
Concentração de tensões: materiais frágeis
Tenacidade a fratura em deformação plana – amostras com espessura grande
O fator de intensidade de tensão K e a tenacidade à 
fratura em deformação plana KIc estão relacionados 
entre si da mesma maneira que estão a tensão e a 
tensão limite de escoamento
É possível uma variedade de valores de K diferentes, enquanto o valor de KIc é único
para um material específico e indica as condições de tamanho do defeito e de tensão
que são necessárias para a ocorrência de uma fratura frágil.
Tenacidade a fratura
Detecção de defeitos
Ensaios não destrutivos para detecção e medida de defeitos – internos e de 
superfície.
Inspeção visual: fácil execução, de baixo custo e comumente não requer 
equipamento especial. requer boa visão, boas condições de iluminação e
experiência no reconhecimento de defeitos
Partículas magnéticas: O ensaio por partículas magnéticas é utilizado na 
localização de descontinuidades superficiais e sub-superficiais em materiais
Ferromagnéticos. Na região magnetizada da peça, as descontinuidades
existentes irão causar um campo de fuga do fluxo magnético. Com a
aplicação das partículas ferromagnéticas, ocorrera a aglomeração destas
no campo de fuga, uma vez que serão por eles atraídas, devido ao
surgimento de pólos magnéticos. A aglomeração indicará o contorno do
campo de fuga, fornecendo a visualização do formato e da
descontinuidade.
Detecção de defeitos
Execução do ensaio de Partículas 
Magnéticas - Técnica do Yoke, com partícula 
magnética via úmida colorida.
Detecção de defeitos
Líquidos penetrantes: detecção de descontinuidades abertas na superfície de 
materiais sólidos e não porosos. Este método emprega um líquido penetrante, o 
qual é aplicado na superfície, penetrando nas descontinuidades. Após um 
determinado tempo de penetração, o excesso é removido, aplica-se um revelador e 
é feita a observação das descontinuidadesatravés da observação do
vazamento do líquido penetrante.
Ultrassom: Ondas ultrassônicas podem ser usadas para detectar defeitos, medir
espessuras ou caracterizar materiais. Dispositivos especiais, chamados
transdutores, permitem e captar esta ondas de alta frequência, refletindo-se
cada vez que encontra uma descontinuidade. O ensaio por ultrassom é utilizado na 
inspeção de soldas, avaliação do efeito da corrosão, detecção de defeitos laminares 
em chapas planas, etc., sendo largamente utilizado nos setores petroquímico, 
siderúrgico, naval, aeronáutico e nuclear.
Detecção de defeitos
Aplicação do Líquido Penetrante nas regiões 
da solda a serem ensaiadas por este 
método.
Realização do ensaio de Ultrassom em solda 
da viga da estrutura provisória utilizada para 
movimentar a ponte.
Detecção de defeitos
Radiografia industrial: Se originou da propriedade de que certas
formas de energia radiante possuem de atravessar materiais opacos a luz
visível. Podemos distinguir dois tipos de radiação penetrante usados em
radiografia industrial: os Raio x e os Raios Gama. Eles se distinguem da
luz visível por possuírem um comprimento de onda extremamente curto, o
que lhe dá a capacidade de atravessarem materiais que absorvem ou
refletem a luz visível. Por serem de natureza semelhante a luz, os Raios x
e os Raios Gama possuem uma série de propriedades em comum com a
luz entre as quais podem citar: possuem mesma velocidade de
propagação (300.000 km/s), deslocam-se em linha reta, não são afetadas
por campos elétricos ou magnéticos, possuem a propriedade de
impressionar emulsões fotográficas
Detecção de defeitos
Detecção de defeitos
Emissão acústica: A emissão acústica é o fenômeno que ocorre quando uma
descontinuidade é submetida á solicitação térmica ou mecânica. Uma área
contendo defeitos é uma área de concentração de tensões que, uma vez
estimulada por um esforço externo, origina em uma redistribuição de
tensões localizada. Este mecanismo ocorre com a liberação de ondas de
tensão na forma de ondas mecânicas transientes. A técnica de E.A.
consiste em captar esta perturbação no meio, através de transdutores
piezoelétricos distribuídos de forma estacionária sobre a estrutura. Este
receptores passivos, estimulados pelas ondas transientes, transformam a
energia mecânica em elétrica sendo os sinais digitalizados e armazenados
para futura análise através de parâmetros estabelecidos.
Este método detecta as descontinuidades nos estágios iniciais e permite
que toda a superfície do equipamento em teste seja testada em um único
ensaio. A inovação desta técnica está na possibilidade de realizar o teste
com o equipamento em operação.