CM I Falhas

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Universidade Federal do Cariri – UFCA
Engenharia de Materiais
Campus de Juazeiro do Norte 
Falha (fratura, fadiga
e fluência)
Profa.: Laédna Neiva 
A falha nos materiais de engenharia é quase sempre um
evento indesejável por vários motivos.
Embora as causas da falha sejam conhecidas na maioria
das vezes, a prevenção das mesmas é difícil.
As causas mais comuns das falhas são as seguintes:
(i) seleção e processamento de materiais de maneira
inadequada;
(ii) projeto inadequado da peça ou a sua má utilização.
Falhas (Fratura, Fadiga e Fluência)
Introdução:
Definição:
Fratura
A fratura consiste na separação de um
corpo em dois ou mais pedaços em
resposta a uma tensão imposta ao
material, quando essa tensão tem natureza
estática e sob temperatura considerada
baixa.
Tipos de tensões que podem ocasionar a fratura do
material:
Fratura
(a)
Tração
(b)
Compressão
(c)
Cisalhamento
(d)
Torcional
Tipos de Fratura:
Fratura
(a)
Fratura Dúctil
(b)
Fratura Frágil
Ambos os tipos de fratura envolve duas etapas!
Comparação Dúctil X Frágil:
A fratura dúctil é quase sempre preferível por dois
motivos:
(i) a fratura frágil ocorre repentina e
catastroficamente, sem aviso prévio;
(ii) mais energia de deformação é exigida para induzir
uma deformação dúctil.
Fratura
Comparação Dúctil X Frágil:
Fratura
Sob a ação de uma tensão de tração:
METAIS
CERÂMICAS
POLÍMEROS
Fratura dúctil
Fratura frágil
Fratura dúctil ou frágil
Fratura Dúctil
Fratura
(a)
Fratura 
Altamente Dúctil
(b)
Fratura Moderadamente 
Dúctil
Fratura
Fratura Dúctil (Moderadamente Dúctil)
Estágios de ocorrência de uma fratura moderadamente dúctil.
Fratura
Fratura Dúctil (Moderadamente Dúctil)
Imagem obtida por exame microscópico 
Fratura Frágil
Fratura
A propagação da trinca também se dá de forma perpendicular à ação da σ! 
Fratura
Ensaio de Fratura:
Técnica de ensaio cujo objetivo é determinar as características
da fratura dos materiais.
Também chamado de tenacidade ao entalhe.
Determina a energia do impacto.
Ensaios de Fratura por Impacto
Fratura
Fratura
Imagens da Máquina de Ensaios de Impacto
Fratura
Realização do ensaio de Impacto Charpy.
Pêndulo de Charpy
Técnica Charpy
Fratura
Configurações possíveis para o entalhe do corpo de prova da técnica Charpy
Técnica Izod
Fratura
Configurações possíveis para o entalhe do corpo de prova da técnica Izod
Fratura
Fatores que podem alterar os resultados 
desse tipo de ensaio.
(i) Variações no tamanho ou formato do corpo de
prova;
(ii) Variações no tamanho ou profundidade do
entalhe.
A fadiga é uma forma de falha que ocorre em
estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas e
oscilantes.
Fadiga
Exemplos de 
tensões 
dinâmicas e 
oscilantes.
Fadiga
Exemplos de 
tensões 
dinâmicas e 
oscilantes.
Fadiga
(c) representa um ciclo de tensões complicado que pode, por exemplo, ser
encontrado numa asa de aeronave, que é sujeita a sobrecargas repentinas
devido ao vento e à sua própria sustentação.
Exemplos de peças que comumente sofrem 
fadiga:
(i) componentes de máquinas;
(ii) peças de aeronaves;
(iii) pontes.
Fadiga
Características da fadiga:
(i) Esse tipo de falha ocorre após um longo período de tensão
repetitiva.
(ii) O estudo da fadiga é importante pois ela é a maior causa
individual de falhas em metais.
(iii) Os polímeros e as cerâmicas, excetos vidros, também são
vulneráveis a esse tipo de falha.
(iv) A falha por fadiga é de natureza frágil, mesmo em metais
dúcteis.
Fadiga
Características da fadiga:
(vi) A falha por fadiga é catastrófica e traiçoeira.
(vii) O processo de ocorrência desse tipo de falha se dá
pela iniciação e propagação de trincas.
Fadiga
Fadiga em Peça de AçoEngrenagem desgastada por fadiga
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Fratura por fadiga em um pedal de bicicleta.
Exemplos de falha por fadiga
Fadiga
Fratura por fadiga em estruturas de concreto.
Definições Importantes:
(i) Tensão cíclica;
(ii) Um ciclo;
(iii) Limite de Fadiga;
(iv) Vida em Fadiga.
Fadiga
Resultado de um Ensaio de Fadiga:
Fadiga
Teoricamente, o material
nunca sofrerá ruptura por
fadiga caso esteja sob a
ação de tensões abaixo do
seu limite de fadiga.
Para os aços o limite de
resistência à fadiga varia
entre 35-65% do seu limite
de resistência à tração.
Processo Completo de Falha por Fadiga:
(i) Iniciação da trinca em alguma irregularidade superficial (ponto
concentrador de tensões);
(ii) Propagação dessa trinca;
(iii) Ruptura catastrófica quando a trinca atinge um tamanho crítico.
Fadiga
Reparar cantos vivos para evitar falhas ou acidentes.
Complemento da imagem do slide anterior.
Fadiga
Superfície de falha por fadiga.
Quantidade Total de Ciclos até a Ruptura
Fadiga
Onde: N = quantidade total de ciclos até a ruptura.
Ni = número de ciclos para a iniciação da trinca.
Np = número de ciclos para a propagação da trinca.
Quantidade Total de Ciclos até a Fratura
Fadiga
Iniciação e Propagação de Trincas
Fadiga
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por
fadiga?
Presença de 
duas zonas: uma 
lisa e outra 
rugosa.
Iniciação e Propagação de Trincas
Fadiga
Representação esquemática da ruptura por fadiga.
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga?
Aspectos de zonas lisa e rugosa em superfície de falha por fadiga.
Fadiga
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga?
Quebra de um cilindro de aço rápido.
Fadiga
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga
Fadiga
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga
Imagens de áreas que podem sofrer (a) e sofreram (b) ruptura por fadiga.
Fadiga
Superfície de falha por fadiga.
(a) (b)
Fadiga
Distância média
entre as estrias de
1μm/ciclo.
Estrias de fadiga vistas por MEV.
Superfície de falha por fadiga.
Fadiga
Estrias de fadiga vistas por MEV.
Superfície de falha por fadiga.
Superfície de falha por fadiga.
Fadiga
Estrias de fadiga em liga de alumínio.
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga:
(i) Nível Médio da Tensão (tensão média).
(ii) Efeitos de Superfície (descontinuidades e imperfeições).
(iii) Projeto Geométrico (sulcos, orifícios, roscas, cantos vivos etc).
(iv)Variáveis Metalúrgicas (acabamento superficial, carbonetação,
nitretação, jateamento).
Fadiga
Efeitos do Ambiente
(i) Fadiga Térmica. 
(ii) Fadiga por Corrosão.
Fadiga
A fadiga térmica é, na maioria das vezes, intergranular.
Fadiga
(ii) Fadiga por Corrosão
Ocorre pela ação simultânea de uma
tensão cíclica e um ataque químico.
Corrosão localizada (pites) sobre uma superfície metálica.
Efeitos do Ambiente
(ii) Fadiga por Corrosão
Fadiga
A taxa de propagação de trincas aumenta consideravelmente em ambientes 
corrosivos. 
(ii) Fadiga por Corrosão
Fadiga
Comportamento de fadiga de um aço com e sem ambiente corrosivo.
Procedimentos para prevenção de Falha por 
Fadiga:
(i) técnicas de combate à corrosão (proteção catódica,
revestimentos superficiais, seleção de materiais mais resistentes à corrosão
etc);
(ii) medidas que minimizem a probabilidade de uma
falha normal por fadiga (redução da tensão de tração e imposição
de tensões compressivas residuais sobre a superfície do material).
Fadiga
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito da forma da Peça
Fadiga
Evite cantos vivos: problemas de
concentração de tensão.
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:Efeito da forma da Peça
Fadiga
Para evitar trincas: problemas de concentração de tensão.
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito da forma do Corpo de Prova
Fadiga
Exemplo de ótimo
acabamento superficial
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga:
Efeito da forma do Corpo de Prova na Vida em Fadiga
Fadiga
Fadiga
Ensaio de Fadiga
(i) É um método utilizado para especificar os limites de tensão e
de tempo de uso de um produto.
(ii) Consiste em submeter uma série de corpos de prova a cargas
oscilantes com valores de tensões decrescentes.
(iii) O corpo de prova deve ser apropriado e padronizado
especificamente para esse tipo de ensaio.
(iv) No ensaio, o corpo é levado a ruptura após um certo número
de ciclos que são registrados na máquina.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Tipos de solicitações mecânicas:
(i) Torção
(ii) Tração – Compressão
(iii) Flexão
(iv) Flexão Rotativa (Torção e Flexão)
Fadiga
Ensaio de Fadiga
O ensaio permite simular
condições reais de
trabalho, acoplado a um
contador de ciclos.
Um ciclo completo de
flexão e torção é
aplicado a cada volta do
eixo e nº de ciclos é
registrado no contador
de rotações.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Esquema do ensaio de fadiga do tipo Torção e Flexão.
Os dados do ensaio devem ser tratados estatisticamente (10 corpos p/ cada nível de tensão).
Fadiga
Ensaio de Fadiga
É sempre preferível ensaiar a própria peça.
Ensaio de fadiga realizado nos apóia-
braços e assento de poltronas.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
É sempre preferível ensaiar a própria peça.
Avaliação e controle de
qualidade de mobiliário.
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Máquinas para ensaios de fadiga:
Fadiga
Ensaio de Fadiga
Realizado em máquina
universal de ensaios:
Definição:
Fluência
É uma deformação
apresentada por um
material ocasionada pela
combinação de dois
fatores: tensão mecânica
estática e temperatura
elevada.
Características da Fluência:
 Fenômeno pelo qual metais e ligas tendem a sofrer
deformações plásticas muito intensas e permanentes.
 Acomete materiais que estão sob a ação de cargas estáticas
por longos períodos, porém inferiores a seu limite de
resistência normal.
 É um tipo de deformação ativada sob elevadas temperaturas.
 Para os metais ela só acontece sob temperaturas próximas a
0,6Tf.
 Exemplos de equipamentos que estão sujeitos a falhar por
fluência: turbinas a jato e geradores de vapor.
Fluência
Características da Fluência:
(i) É, em geral, um evento indesejável.
(ii) É observada em todos os tipos de materiais.
(iii) Os polímeros e as borrachas são especialmente
vulneráveis a esse tipo de falha.
Fluência
Ensaios de Fluência:
(i) Têm o objetivo de analisar a resistência dos materiais à fluência.
(ii) Em geral, são realizados durante o desenvolvimento de projetos de
peças ou componentes.
(iii) São realizados até a ruptura do corpo de prova.
Fluência
Ensaios de fluência
Fluência
Realização do ensaio de Fluência.
Ensaios de fluência
Equipamento para ensaio de fluência.
Fluência
Ensaios de Fluência
Fluência
METAIS POLÍMEROS CERÂMICAS
Fluência 
por 
Tração
Fluência por 
Compressão
Fluência
Comportamento Geral da Fluência (Resultado do Ensaio)
Gráfico da curva típica de fluência.
Fluência
Comportamento Geral da Fluência
Gráfico da curva típica de fluência.
Efeitos da Tensão e da Temperatura
Fluência
Dependência da fluência em relação a tensão e a temperatura.
Fluência
Seja pelo aumento da tensão ou da
temperatura o seguinte será observado:
(i) A deformação instantânea no momento da
aplicação da tensão aumenta.
(ii) A taxa de fluência em regime estacionário é
aumentada.
(iii) O tempo de vida até a ruptura é reduzido.
Fluência
Métodos para extrapolação de dados
Na prática, com frequência, surge a necessidade
de se obter dados sobre a fluência que são
inatingíveis de serem alcançados em ensaios de
laboratório.
Fluência
Métodos para extrapolação de dados
Procedimento de extrapolação comumente utilizado:
Parâmetro de Larson-Miller 
Onde: T é a temperatura absoluta.
C é uma constante (geralmente igual a 20 para ligas ferrosas). 
tr é o tempo de vida, em horas.
Fluência
Exercício de Fixação
1. Usando os dados de Larson-Miller para a liga ferrosa S-590
que estão mostrados na Fig. 8.40 (Callister 8ª ed.), estime o
tempo até a ruptura para um componente que está sujeito a
uma tensão de 140 MPa em 800°C (1073K).
Fluência
Parâmetro de Larson Miller
Fluência
Exercício de Fixação
2. Considere um componente em aço inoxidável que está
exposto a uma temperatura de 500°C. Qual o nível de tensão
responsável por levar o material a ter uma vida útil de 5
anos?
Resumo sobre Falhas
A FALHA ou RUPTURA nos metais podem
acontecer:
 Fratura
 Fadiga 
 Fluência