FALHAS (1)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS 
MTR0912 – Tecnologia de Materiais Aplicada a Dutos 
ALUNO: João Paulo de Freitas Grilo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Resumo do capítulo sobre Falhas do livro “Ciência e 
Engenharia de Materiais uma introdução” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Natal, 27 de Março de 2012 
 
FALHAS 
Fundamentos da fratura 
 A falha é basicamente a separação de um corpo em duas ou mais partes 
respondendo a uma tensão qualquer de natureza estática e em temperaturas que são 
baixas em relação a sua temperatura de fusão. São possíveis duas modalidades de 
fratura: dúctil e frágil. Essa classificação se dá com a habilidade do material apresentar 
deformação plástica. A diferença básica é que a fratura dúctil tem maior capacidade de 
absorver energia antes da fratura, o contrário do material frágil que não tem essa 
propriedade. 
 Qualquer processo de fratura envolve duas etapas – formação e propagação de 
trincas em resposta a uma tensão. A fratura dúctil é caracterizada por uma deformação 
plástica na vizinhança da trinca, onde a mesma vai aumentando de maneira lenta, 
podendo ser chamada de “estável”, pois ela resiste a qualquer crescimento adicional, a 
não ser que seja aumentada a tensão. Por outro lado a fratura frágil, as trincas têm pouca 
ou nenhuma deformação, ocorrendo a fratura de maneira rápida. 
 A fratura frágil ocorre repentina e catastroficamente, sem qualquer aviso prévio, 
a fratura dúctil dá um alerta que a fratura está se formando, permitindo que medidas 
preventivas sejam tomadas. Os materiais dúcteis são mais tenazes, necessitando assim 
de mais energia para ocorrer a fratura. A fig. 1.1 representa as fraturas. 
 
Fig 1.1 (a) fratura dúctil onde a amostra tem estricção até um único ponto; (b) Fratura 
moderadamente dúctil após alguma estricção; (c)Fratura frágil sem qualquer deformação 
plástica. 
 
Fratura dúctil 
 
 Tanto no nível microscópico e macroscópico a fratura dúctil terá suas 
características distintas. Na Fig 1.1 (a) é representado uma configuração de metais mais 
macios, como ouro, chumbo, entre outros. Esses materiais sofre uma estricção até uma 
fratura pontual, pois há redução em sua área igual a 100%. Na fig. 1.1 (b) representa a 
configuração mais comum entre os materiais dúcteis, onde há um começo de 
empescoçamento até a fratura. 
 Na fig. 1.2 é representado as fases para ocorrer a fratura dúctil. Em primeiro 
lugar ocorre o empescoçamento fig. 1.2(a), com criação de “microvazios” fig 1.2 (b). 
em seguida os microvazios vão aumentando e se aproximam para coalecer em uma 
trinca elíptica que cresce em direção perpendicular a da aplicação da tensão fig 1.2 (c). 
A fratura, ocorre com a rápida propagação da trinca, fig. 1.2 (d), por meio de uma 
deformação cisalhante de 45°. Algumas vezes ocorre uma forma característica na 
fratura dúctil, chamada de fratura taça cone. Na fratura da amostra apresenta algumas 
irregularidades de forma fibrosa fig. 1.3, característico de deformação plástica. 
 
Fig 1.2 Estágio da fratura tipo taça e cone. (a) empescoçamento; (b) criação de microtrincas; (c) 
coalecimento da trinca; (d) propagação da trinca; (e) fratura final com ângulo de 45°. 
 
Fig. 1.3 (a) fratura tipo taça cone no alumínio; (b) fratura frágil em aço doce. 
 
Fratura frágil 
 A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação e pela rápida propagação de 
trinca. A formação da trinca é perpendicular, formando uma superfície plana, fig. 1.1 
(c). A superfície da fratura frágil é ausente de qualquer sinal de deformação plástica. 
Umas podem conter uma série de “marca de sargento” com formato de “V” apontando 
para trás do crescimento da trinca, fig. 1.4 (a), outras superfícies podem conter linhas ou 
nervuras que se irradiam a partir do ponto de origem da trinca, seguindo um padrão em 
forma de leque, como apresenta a fig. 1.4 (b). 
 Na maioria das fraturas frágeis é a propagação da trinca é dada por clivagem, ou 
seja a mesma cresce pelo interior do grão, sendo mais conhecida por fratura 
transgranular fig. 1.5 (a). A característica da clivagem é apresentada na fig. 1.5 (b). 
 
Fig. 1.4 (a) fotografia mostrando marcas de sargento em forma de “V”. As setas indica, a 
origem da trinca. (b) fotografia de uma superfície de fratura frágil apresentando nervuras e em 
formato de leque. A seta indica a origem da trinca. 
 
Fig. 1.5 (a)Perfil esquemático de uma seção transversal mostrando a propagação de trinca 
transgranular; (b) Fractografia eletrônica por varredura de um ferro fundido mostrando fratura 
transgranular 
 
 Em algumas ligas a trinca se dá contornando os grãos, a chamada fratura 
intergranular. A fig. 1.6 apresenta esquematicamente e por fractografia uma fratura 
intergranular. Esse tipo de fratura ocorre após enfraquecimento ou fragilização das 
regiões de contorno de grão. 
 
Fig. 1.6 (a) perfil esquemático de uma fratura intergranular; (b) fractografia eletrônica por 
varredura mostrando uma superfície de fratura intergranular. 
 
Mecanismo da Fratura 
 
 A mecânica da fratura permite a quantificação das relações entre as propriedades 
dos materiais, o nível de tensão, a presença de defeitos geradores de trincas e os 
mecanismos de propagação de trincas. 
 Concentradores de tensão são defeitos internos que têm a habilidade de 
amplificar uma tensão aplicada em suas proximidades, ou seja uma tensão aplicada 
pode ser aumentada ou concentrada na extremidade do defeito (trinca), onde a 
magnitude dessa concentração depende da orientação e da geometria da trinca. 
 Se admitirmos que uma trinca possui um formato elíptico (ou que possui um 
formato circular) e está orientada de acordo com uma direção perpendicular à tensão 
aplicada, a tensão máxima na extremidade da trinca, tem-se a Eq. 1.1. 
 
 (8.1) 
 
 onde σm representa a magnitude da tensão de tração nominal aplicada, pt 
representa o raio de curvatura da extremidade da trinca (Fig. 1.7) e a representa o 
comprimento de uma trinca superficial, ou metade do comprimento de uma trinca 
interna, e σm/ σo pode assumir o valor de K onde se tornar o fator concentrador de 
tensões. 
 
Fig. 1.7 (a) geometria de trincas superficiais e trincas internas. (b) perfil de tensões esquemático 
ao longo de X-X’ em (a), demonstrando aumento da tensão nas extremidades. 
 
 O concentrador de tensão é mais significativos para materiais frágeis do que no 
dúcteis, então para materiais frágeis é aplicada a Eq. 1.2 
 (1.2) 
 
E = módulo de elasticidade 
γ s = energia de superfície interna 
a = metade do comprimento de uma trinca interna 
 
 A fratura em materiais frágeis ocorre devido ao aumento das tensões de trações 
que há nas microtrincas uma vez encontradas no interior do material. 
 
 Uma vez que as tensões na vizinhança da ponta de uma trinca podem ser 
definidas em termos do fator de intensidade de tensão, existe um valor crítico de K que 
pode ser usado para especificar as condições para uma fratura frágil; esse valor crítico é 
conhecido por tenacidade à fratura Kc, que é definido pela Eq. 1.3. 
 (1.3) 
 
 
Para amostras relativamente finas, o valor de Kc dependerá e diminuirá com o 
aumento da espessura da amostra. Finalmente, Kc se torna independente de B, momento 
em que se diz existir a condição de deformação plana. O valor de Kc constante para 
amostras mais grossas é conhecido por tenacidade à fratura em deformaçãoplana, 
Klc, que também é definida pela Eq. (1.4). 
 (1.4) 
 
 A tenacidade à fratura em deformação plana Klc é uma propriedade 
fundamental dos materiais, a qual depende de muitos fatores, sendo que os de maior 
influência são a temperatura, a taxa de deformação e a microestrutura, diminuindo com 
o aumento da temperatura e com o aumento da taxa de deformação. 
 
Ensaios de fratura por impacto 
 
 Antes do advento da mecânica da fratura como uma disciplina científica, 
foram estabelecidas técnicas de ensaio por impacto, de modo a se determinar as 
características de fratura dos materiais. Dois ensaios padronizados, as técnicas Charpy 
e Izod, foram concebidos e são ainda utilizados para medir a energia de impacto, 
algumas vezes também chamada de tenacidade ao entalhe. 
 A técnica Charpy do entalhe em "V" de (CVN) é a mais fomumente usada nos 
Estados Unidos. Tanto na técnica Charpy como na técnica Izod, o corpo de prova possui 
o formato de uma barra com seção reta quadrada, na qual é usinado um entalhe com 
formato em "V"(Fig. 1.8). 
 
Fig 1.8 (a) Corpo de prova utilizado nos ensaios de impacto Charpy e Izod. (b) Desenho 
esquemático de um equipamento para ensaios de impacto. O martelo é liberado de uma altura 
determinada h e atinge o corpo de prova; a energia consumida na fratura é refletida na diferença 
entre h e a altura de balanço h’. Também estão mostrados os posicionamentos dos corpos de 
prova para ensaio. 
 
 A carga é aplicada como um impacto instantâneo de um martelo de pêndulo 
balanceado que é liberado de uma posição elevada que se encontra a uma altura fixa h. 
A amostra fica posicionada na base, conforme está mostrado. Com a liberação, uma 
aresta em forma de faca montada sobre o pêndulo atinge e fratura o corpo de prova 
exatamente no entalhe, que atua como um ponto de concentração de tensões para este 
impacto de alta velocidade. O pêndulo continua o seu balanço, elevando-se até uma 
altura máxima h', que é inferior a h. A absorção de energia, computada a partir da 
diferença entre h e h', representa uma medida da energia do impacto. A diferença 
principal entre as técnicas Charpy e Izod está na maneira como o corpo de prova é 
sustentado, conforme está ilustrado na Fig. 1.8. Além disso, esses testes são 
denominados ensaios de impacto, com base na maneira como é feita a aplicação da 
carga. Variáveis que incluem o tamanho e o formato do corpo de prova, bem como a 
configuração e a profundidade do entalhe, influenciam os resultados dos testes. 
 Uma das principais funções dos ensaios de Charpy e Izod é a de determinar se 
um material experimenta ou não uma transição dúctil—frágil com a diminuição da 
temperatura e, se este for o caso, as faixas de temperaturas ao longo das quais isso 
acontece. Â transição dúctil-frágil está relacionada à dependência da absorção da 
energia de impacto medida em relação à temperatura. Essa transição está representada 
para um aço pela curva A na Fig. 1.9. Sob temperaturas mais elevadas, a energia CVN é 
relativamente grande, o que corresponde a um modo de fratura dúctil. À medida que a 
temperatura é reduzida, a energia de impacto cai repentinamente ao longo de uma faixa 
de temperaturas relativamente estreita, abaixo da qual a energia possui um valor 
constante, porém pequeno; isto é, o modo de fratura é frágil. 
 
 
Fig 1.9 dependência da energia de impacto Charpy com entalhe “V” (curva A) e da 
porcentagem da fratura por cisalhamento (curva B) em relação à temperatura. 
 
 Na fig. 1.10 observa-se dois outros tipos gerais de comportamento energia de 
impacto em função da temperatura. Os metais CFC de baixa resistência e a maioria dos 
metais HC não apresentam transição dúctil-frágil, assim como materiais de alta 
resistência, que também são insensíveis à temperatura. 
 
Fig 1.10 Curvas esquemáticas para os três tipos genéricos de comportamento da energia de 
impacto em função da temperatura. 
 
 Um aumento do teor de carbono também aumenta a temperatura de transição dos 
aços, assim como aumenta a resistência dos mesmos, assim observa-se na fig. 1.11. 
 
Fig 1.11 Influência do teor de carbono sobre o comportamento da energia charpy com entalhe 
em “V” em função da temperatura para o aço. 
 
Fadiga 
 
A fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a 
tensões dinâmicas e oscilantes (por exemplo, pontes, aeronaves e componentes de 
máquinas). O termo "fadiga" é usado pois esse tipo de falha ocorre normalmente após 
um longo período de tensão repetitiva ou ciclo de deformação. A fadiga é importante no 
sentido de que ela é a maior causa individual de falhas em metais, sendo estimado que 
ela compreende aproximadamente 90% de todas as falhas metálicas. Os polímeros e os 
cerâmicos (exceto os vidros) também são suscetíveis a esse tipo de falha. 
Adicionalmente, ela é catastrófica e traiçoeira, ocorrendo muito repentinamente e sem 
avisos. A falha por fadiga é de natureza frágil, mesmo em metais dúcteis, no sentido de 
que existe muito pouca, se alguma, deformação plástica generalizada associada com a 
falha. 
 A tensão aplicada pode ser de natureza axial (tração-compressão), de flexão 
(dobramento) ou torcional (torção). Em geral, são possíveis três modalidades diferentes 
de tensão oscilante-tempo (fig 1.12). Uma é representada por uma dependência regular e 
senoidal em relação ao tempo Fig. 1.12(a), o outro é conhecido por ciclo de tensões 
repetidas, está ilustrado na Fig. 1.12(b); os valores máximos e mínimos são assimétricos 
em relação ao nível zero de tensão. Finalmente, o nível de tensão pode variar 
aleatoriamente em amplitude e frequência (Fig 1.12(c)). 
 
Fig. 1.12 Variação da tensão ao longo do tempo, que é responsável por falhas por fadiga. 
 
 
 
 
 
Curva σ – N 
 
 Para obter valores significativos de análise a fluência dois parâmetros devem ser 
correspondido e uma função, tanto o número de ciclos (N) e a amplitude de tensão (σ) 
aplicado no material, e isso é determinado a partir de um ensaio. Um equipamento para 
ensaios deve ser projetado para duplicar o tanto quanto possível as condições de tensão 
durante o serviço (nível de tensão, frequência temporal, padrão de tensões etc). Um 
diagrama esquemático de um equipamento para ensaios giratórios com dobramento, 
comumente utilizado para ensaios de fadiga, está mostrado na Fig. 1.13; as tensões de 
compressão e de tração são impostas sobre o corpo de prova à medida que ele é 
simultaneamente dobrado e girado. A partir disso é plotado um gráfico σ por N, após o 
comportamento dos mesmo tiverem sido observados. 
 
 
 
Fig. 1.13 Diagrama esquemático de um equipamento para testes de fadiga, para a realização de 
ensaios giratórios com dobramento. 
 
 Com um estudo do gráfico é possível observar que quanto maior a magnitude da 
tensão, menor será o número de ciclos antes de ocorrer a falha no material. Para 
algumas ligas ferrosas (à base de ferro) e de titânio, a curva σ -N (Fig. 1.14 (a)) se torna 
horizontal para valores de N mais elevados; ou. existe um nível de tensão limitante, 
chamado de limite de resistência à fadiga (algumas vezes também chamado de limite 
de durabilidade), abaixo do qual a falha por fadiga não irá ocorrer. 
 Para a maioria das ligas não ferrosas é aplicado algo que é chamado de 
resistência a fadiga, pois os mesmos não possuem um limite de resistência à fadiga no 
sentido de que a curva σ -N continua a sua tendência decrescente para maiores valores 
de N (Fig. 1.14). 
 Outro importante parâmetro que caracteriza o comportamen-to de fadiga de um material 
é a vida em fadiga Nf. Este é o nú-mero de ciclosnecessários para causar a falha em um nível 
de tensão específico, conforme tomado do gráfico σ -N (Fig. 1.14 (b)). 
 
Fig. 1.14 Amplitude da tensão (σ) em função do logaritmo do número de ciclos até a falha por 
fadiga (N) para (a) um material que exibe um limite de resistência a fadiga (b) um material que 
não exibe um limite de resistência a fadiga. 
 
Iniciação e propagação de trincas 
 
 O processo de falha por fadiga é descrito em três etapas: (1) iniciação da trinca, 
onde uma pequena trinca se forma em algum ponto de alta concentração de tensões; (2) 
propagação da trinca, durante a qual essa trinca avança em incrementos a cada ciclo de 
tensões; e (3) fratura final, que ocorre muito rapidamente uma vez que a trinca que está 
avançando tenha atingido o seu tamanho crítico. 
 As trincas associadas com falhas por fadiga quase sempre se iniciam (ou 
nucleiam) sobre a superfície de um componente em algum ponto de concentração de 
tensões. Uma vez que uma trinca estável tenha se nucleado, ela então começa a se 
propagar muito lentamente e, em metais policristalinos, ao longo dos planos 
cristalográficos com elevadas tensões de cisalhamento. Isso é algumas vezes chamado 
de propagação de estágio I. Já no estágio II, o crescimento da trinca avança através de 
um processo repetitivo de abaulamento plástico e afilamento da ponta da própria trinca, 
onde a taxa de extensão da trinca aumenta drasticamente. 
 A região de uma superfície de fratura que se formou durante a propagação em 
estágio II pode ser caracterizada por dois tipos de marcas, conhecidas por marcas de 
praia e estrias. Essas duas características indicam a posição da ponta da trinca em um 
dado ponto no tempo e aparecem como ressaltos concêntricos que se expandem para 
longe do(s) sítio(s) de iniciação da(s) trinca(s), com frequência em um padrão circular 
ou semicircular. As marcas de praia (algumas vezes também chamadas de "marcas de 
conchas") possuem dimensões macroscópicas (Fig. 1.15(a)) e podem ser observadas a 
olho nu. 
Por outro lado, as estrias de fadiga apresentam dimensões microscópicas e estão 
sujeitas a observação através de um microscópio eletrônico (MET ou MEV'). A Fig. 
1.15 (b) é uma fractografia eletrônica que mostra essa característica. Cada estria é 
considerada representar a distância de avanço de uma frente de trinca durante um único 
ciclo de carregamento. A largura entre estrias depende, e aumenta, em função do 
aumento da faixa de tensões. 
 
 
 
Fig. 1.15 (a) Superfície de fratura de um eixo rotativo de aço que sofreu falha por fadiga. As 
nervuras de marcas de praia são visíveis na fotografia. (b) fractografia eletrônica por 
transmissão mostrando estrias de fadiga no alumínio. 
 
Fatores que afetam a vida em fadiga 
 
Tensão média 
 Além de ser totalmente influenciada pela amplitude da tensão na curva σ -N A 
tensão média, também, irá afetar também a vida em fadiga, cuja influência pode ser 
representada por uma série de curvas σ -N, cada uma medida a um valor diferente de σm; 
isso está mostrado esquematicamente na Fig 1.16. Como se pode observar, aumentar o 
nível médio de tensão leva a uma diminuição na vida em fadiga. 
 
Fig 1.16 Demonstração da influência da tensão média σm sobre o comportamento σ –N 
em fadiga. 
 
 
 
(a) (b) (a) (b) 
Efeitos da superfície 
 A maioria das trincas que levam a falhas por fadiga têm sua origem em posições 
localizadas sobre a superfície, mais especificamente em sítios de amplificação de 
tensão. Foi observado que a vida em fadiga é especialmente sensível às condições e à 
configuração da superfície do componente. Numerosos fatores influenciam a resistência 
à fadiga, e um gerenciamento apropriado desses fatores levará a uma melhoria na vida 
em fadiga. Entre esses fatores estão incluídos critérios de projeto, bem como diversos 
tipos de tratamentos de superfície. 
 
Efeitos do ambiente 
 
 Há dois tipos de falhas por fadiga assistidas pelo ambiente: a fadiga térmica e a 
fadiga por corrosão. 
 A fadiga térmica é induzida normalmente a temperaturas elevadas, pela 
flutuação das tensões térmicas; as tensões mecânicas de uma fonte externa não precisam 
estar presentes. A origem dessas tensões térmicas está na restrição à expansão e/ou à 
contração dimensional que normalmente ocorreria em um membro estrutural que 
apresenta variações de temperatura. 
 A fadiga associada a corrosão é causada pela simultânea ação de uma tensão 
cíclica e um ataque químico. Ambientes corrosivos possuem uma influência negativa e 
produzem vidas em fadiga mais curtas. Mesmo a atmosfera ambiente normal irá afetar o 
comportamento de fadiga de alguns materiais. pequenos pites formados pelo ataque 
químico do ambiente podem servir como concentradores de tensões, portanto, sítios de 
propagação de trinca. 
 
Fluência 
 
 Fluência é a deformação em materiais quando estão submetidos a tensões 
estáticas (como por exemplo, rotores de turbinas de motores a jato). Definida como 
sendo a deformação permanente e dependente do tempo de materiais, quando estes são 
submetidos a uma carga ou tensão constante, a fluência é em geral um fenômeno 
indesejável e, com frequência, é o fator de limitação na vida útil de uma peça. 
 Um ensaio típico de fluência consiste em se submeter um corpo de prova a uma 
carga ou tensão constante enquanto se mantém a temperatura constante; a deformação é 
medida e plotada como uma função do tempo decorrido. A maioria dos ensaios é do 
tipo com carga constante, os quais fornecem informações de uma natureza que pode ser 
empregada na engenharia; os ensaios com tensão constante são empregados para 
proporcionar uma melhor compreensão dos mecanismos da fluência. 
 O comportamento típico da fluência pode ser plotado em um gráfico após um 
ensaio de fluência. A fig. 1.17 apresenta um gráfico de fluência que consiste em três 
regiões, cada uma das quais possuindo a sua própria característica distinta deformação-
tempo. 
 
Fig 1.17 Curva típica de fluência mostrando a deformação em função do tempo sob tensão 
constante e sob temperatura elevada constante. A taxa de fluência mínima de/dt é a inclinação 
do segmento linear na região secundária. O tempo de vida de ruptura t, é o tempo total até a 
ruptura. 
 
Tanto a temperatura como o nível da tensão aplicada influenciam as 
características da fluência (Fig. 1.18 (a)). Seja pelo aumento da tensão ou da 
temperatura, o seguinte será observado: (1) a deformação instantânea no momento da 
aplicação da tensão aumenta; (2) a taxa de fluência em regime estacionário é 
aumentada; e (3) o tempo de vida até a ruptura é diminuído. 
Os resultados de ensaios de ruptura por fluência são mais usualmente 
apresentados na forma do logaritmo da tensão em função do logaritmo do tempo de vida 
até a ruptura. A Fig. 1.18(b) é um desses gráficos para uma liga de níquel, onde pode ser 
vista uma relação linear para cada temperatura. Para algumas ligas e ao longo de faixas 
de tensão relativamente grandes, a não-linearidade dessas curvas é observada. 
 
 
 
Fig. 1.18 (a) Influência da tensão σ e da temperatura T sobre o comportamento em fluência. (b) 
Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala logarítmica) para 
uma liga carbono-níquel com baixo teor de liga a três temperaturas diferentes. 
(a) (b)