MECÂNICA DA FRATURA

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MECÂNICA DA FRATURA
BRENO ZUCCOLOTTO COUTINHO
EWERLI DOS SANTOS
VINICIUS LOZER CARARA
Engenharia Mecânica - Meteriais de Engenharia
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MECÂNICA DA FRATURA
Quando uma tensão (tração, compressão ou cisalhamento), é aplicada em um determinado corpo, acima de um limite crítico e causa a separação do corpo em duas ou mais partes surge o que é chamado de fratura.
Os estudos de engenharia requerem aplicação de propriedades mecânicas dos materiais. Estas propriedades, no entanto, não consideram que os limites destas propriedades podem ser diferentes quando considerado que os materiais podem não estar sempre em seu estado perfeito. Neste contexto surgiu a área de estudo de mecânica da fratura, que estuda as mesmas propriedades mecânicas, porém considerando falhas preliminares, como fendas. Alguns dos principais agentes causadores destas falhas preliminares são fadiga e corrosão.
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HISTÓRIA
A Mecânica da Fratura foi desenvolvida durante a Primeira Guerra Mundial pelo engenheiro aeronáutico inglês Alan Arnold Griffith, visando explicar o mecanismo de falha de materiais frágeis.
Entretanto, apenas após a 2ª Guerra Mundial, passou-se a entender melhor porque os materiais falham, como prevenir as falhas e deste modo foi estabelecida a área que estuda esses processos mecânicos, chamada de Mecânica da Fratura.
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O QUE É FRATURA ?
A fratura é a separação em duas ou mais partes em resposta a uma imposição de uma tensão de natureza estável e temperaturas que são baixas relativamente à temperatura de fusão do material, a tensão aplicada pode ser de tração,compressão, cisalhamento ou torção.
A mecânica da fratura pode ser usada em projetos de componentes e estruturas, na seleção de materiais, no desenvolvimento de novos materiais e na determinação da criticidade de defeitos.
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PROPAGAÇÃO DA TRINCA
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1 – NUCLEAÇÃO, Ponto de alta concentração de tensões, impactos ou fadiga.
2 – PROPAGAÇÃO DA TRINCA, Processo no qual a trinca avança incrivelmente com cada ciclo de tensões.
3 – RUPTURA, Falha final que ocorre rapidamente, uma vez que a trinca evolui e atinge um ponto crítico.
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TIPOS DE FRATURA
Para os materiais de engenharia são possiveis duas modalidades de fratura: Dúctil e Frágil
A classificação é baseada na habilidade de um material apresentar deformação plástica.
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FRATURA DÚCTIL X FRÁGIL
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FRATURA DÚCTIL X FRÁGIL
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FRATURA DÚCTIL
As superfícies das fraturas dúcteis irão possuir características distintas.
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FRATURA FRÁGIL
A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e pela rápida propagação de uma trinca. A direção do movimento da trinca e aproximadamente perpendicular a direção da tensão de tração aplicada e produz uma superfície de fratura relativamente plana.
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Fratura Frágil dos Navios Classe LIBERTY (1941/1945)
Classe Liberty foi uma série de navios cargueiros (militar), construídos nos Estados Unidos durante a Segunda Guerra Mundial.
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Na Segunda Guerra Mundial as estruturas dos navios eram soldadas para economizar tempo na montagem devido a grande demanda de suprimentos que atravessavam o Oceano Atlântico do EUA para Inglaterra principalmente, com a finalidade para abastecer as tropas aliadas durante a época de guerra. 
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Foram construídos 4694 navios da Classe Liberty. 
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Os efeitos da temperatura, dos concentradores de tensão e de tensões residuais não eram bem compreendidos. Por esse motivo (desconhecimento metalúrgico da solda e dos materiais) os navios da série Liberty tornaram-se um exemplo clássico de acidentes provocados por fratura frágil até os dias de hoje.  Muitos deles acabavam afundando antes de cumprir a travessia do Atlântico, alguns fraturavam em alto mar e outros atracados no porto onde foi observado que o material perdia a ductilidade necessária para resistir à baixa temperatura.
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Foram construídos 4694 navios deste tipo, dos quais 1289 sofreram fratura frágil. Destas, 233 foram catastróficas, com perda completa e, em 19 casos, os navios partiram-se ao meio, como os navios tanques SS Schenectady e o Charles S. Haight, mostrados nas fotos acima. O primeiro fraturou em 16 de janeiro de 1943, atracado no píer de acabamento do estaleiro, com mar calmo. A fratura frágil foi súbita, sem aviso e foi ouvida pelo menos a 1500 metros de distância. Fraturas deste tipo ocorreram tanto em mares turbulentos como no cais, principalmente no inverno. Com a diminuição da temperatura, foi evidenciada pela fratura dos navios a modificação no comportamento do aço de dúctil para frágil.
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TENACIDADE A FRATURA
De forma geral, tenacidade significa o quanto o material resiste até fraturar. 
A tenacidade de um material pode ser mensurada através de medidas de ductilidade (área sob a curva de um gráfico tensão x deformação) ou através da medida da energia absorvida em um ensaio de impacto.
Já a tenacidade à fratura significa o quanto o material, já com uma fenda, resiste até fraturar. Segundo Callister, por definição, tenacidade à fratura é uma propriedade que é a medida da resistência de um material à fratura frágil quando uma fenda estiver presente.
Considera-se fratura dúctil quando o ponto de ruptura do material é precedido de deformação plástica e fratura frágil quando o material não se deforma plasticamente antes da ruptura.
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FATOR DE CONCENTAÇÃO DE TENSÕES (Kt)
Quando uma tensão é aplicada em um corpo, mesmo que sua magnitude seja menor que o valor teórico de tenacidade do material, e este corpo tiver uma fenda, esta tensão poderá ter sua magnitude elevada na ponta da fenda, de acordo com a direção e forma da própria fenda. Este fenômeno é chamado de Fator de concentração de tensões (Kt) e pode ser representado pela fórmula abaixo e exemplificado na figura logo abaixo:
Kt = σm / σ0 = 2 (a / ρt)1/2
Onde:
σm = tensão máxima na ponta da fenda
σ0 = tensão de tração nominal
ρt = raio de curvatura da ponta da fenda
a = comprimento de uma fenda superficial ou metade do comprimento de uma fissura interna
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TENACIDADE A FRATURA
Uma fenda pré-existente causará uma fratura quando as tensões aplicadas na ponta da fenda ultrapassarem valores críticos. Este valor crítico do fator de intensidade da tensão é a chamada tenacidade à fratura e representada por KIc.
KIc = Y σ (π a) ½
Onde:
Y: Parâmetro adimensional que depende das geometrias da fenda e do corpo em questão 
 σ:Tensão aplicada na fenda 
 a: Referente ao comprimento da fenda.
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TENACIDADE A FRATURA
De uma forma geral, a mecânica da fratura e os valores de tenacidade à fratura contribuem para previsão de falhas catastróficas. Estes valores de KIc se mostram baixos para materiais frágeis, o que representa que são mais suscetíveis às falhas catastróficas. Isto se explica também, de uma forma simples, pois as fraturas frágeis ocorrem sem que se perceba qualquer deformação plástica antes da ruptura. Materiais dúcteis tem o valor de KIc elevados sendo mais resistentes a tais falhas.
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TENACIDADE A FRATURA
Uma das medidas da tenacidade é a área sob a curva Tensão x Deformação. Esta é uma medida da energia absorvida durante o ensaio de tração.
 
19Comportamento de um aço frágil (A), enquanto um mais dúctil (E). 
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TENACIDADE A FRATURA
O ensaio de tração uniaxial dá somente uma grosseira estimativa da tenacidade do material, uma vez que as taxas de deformação são baixas, não correspondendo à condições de impacto que muitas vezes estão presentes na operação real. 
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TENACIDADE A FRATURA
Portanto, a tenacidade é normalmente avaliada em condições que envolvem elevadas taxas de deformação. Ensaios como o de Impacto Charpy utilizam um corpo de prova tipo barra padrão entalhada, a qual é fraturada em temperatura conhecida a partir de uma única aplicação de carga realizado em um pêndulo de impacto. 
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ENSAIO CHARPY
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CONCLUSÃO
O Principio da mecânica da fratura é a discrepância significativa entre as resistências a fratura real e teórica dos materiais frágeis é explicada pela existência de pequenos defeitos, os quais são capazes de aumentar uma tensão de tração aplicada na sua vizinhança, levando ao final uma propagação de uma trinca, A fratura tem inicio quando a resistência a coesão teórica e excedida na extremidade de um desses defeitos.
A tenacidade a fratura de uma material é um indicativo de sua resistência a fratura frágil quando uma trincas presente, esse parâmetro e aquele que normalmente é citado para fins de projetos.
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Bibliografia
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAbFwAC/fadiga-materiais-marcas-praia
http://docslide.com.br/documents/apostila-de-mecanica-da-fratura.html
http://www.foz.unioeste.br/~lamat/downmateriais/materiaiscap10.pdf
http://moodle.stoa.usp.br/file.php/1066/2011/PMT2200aula4em2011-mec-da-fratura.pdf
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAAjsAA/aula02-fratura-dos-materiais
http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/3496/3496_3.PDF
http://www2.dbd.pucrio.br/pergamum/tesesabertas/0821564_10_cap_02.pdf
 
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