7 Técnicas de análise comportamental

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Elementos de Metalurgia
MET - 216
Fabricação
Aplicações
Estrutura
PropriedadesProf. Leonardo B. Godefroid
Prof. Luiz Cláudio Cândido
GESFRAM-DEMET-EM-UFOP
Avaliação de Características de Materiais
MICROESTRUTURAL COMPORTAMENTAL
CARACTERIZAÇÃO
Técnicas de Análise Comportamental
Características exigidas nos materiais usados em engenharia
Propriedades : mecânicas, térmicas, elétricas, magnéticas, químicas, óticas, custo.
Propriedades mecânicas: resistência mecânica, elasticidade, ductilidade, dureza, 
tenacidade, resistência à fluência, à fadiga e à corrosão, etc.
Propriedades térmicas: ponto de fusão e de ebulição, calor latente de 
transformação, capacidade térmica e calor específico, dilatação térmica, 
condutividade térmica, etc.
Propriedades elétricas e magnéticas: resistividade e condutividade, 
ferromagnetismo, supercondutividade, etc.
Propriedades químicas: resistência à corrosão, etc.
Propriedades óticas: índice de refração.
Custo: envolve fabricação, manutenção e substituição, propriedades.
Técnicas de Análise Comportamental
Ensaios mecânicos de materiais
Objetivo: verificação de propriedades dos materiais, 
controle de qualidade.
Tipos de ensaios: destrutivos e não-destrutivos.
Normalização: ABNT, ASTM, BS, DIN, AFNOR, JIS, etc.
Técnicas de Análise Comportamental
Ensaios mecânicos destrutivos
Î Tração
Î Compressão
Î Dobramento
Î Torção
Î Dureza
Î Impacto
Î Tenacidade à fratura
Î Fadiga
Î Fluência
Î Corrosão sob tensão
Tração
Ensaio de tração : equipamentos - GESFRAM
 
Base fixa 
Hastes lateriais
Garras
CP 
Painel de controle Travessão 
Célula de carga 
Tração
Corpos-de-Prova para ensaios de 
tração.
Nomenclatura
Corpos de prova de:
a) Ferro fundido;
b) Alumínio;
c) Aço 1020.
Ensaio de tração - Curvas Tensão-Deformação 
:
Propriedades tiradas no 
ensaio de tração:
a) Módulo de elasticidade;
b) Limite de escoamento;
c) Limite de resistência;
d) Deformação uniforme;
e) Deformação total;
f) Redução de área;
g) Resiliência e Tenacidade.
σ = E εel + k (εpl)n
A curva tensão-deformação pode ser considerada como o lugar geométrico dos pontos de 
escoamento do material.
Tração
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
σ
 
(
M
P
a
)
ε (%)
 4140 tt1
 4140 tt2
 4140 tt3
 4140 tt1 c/e
 4140 tt4
Aço AISI/SAE 4140 – efeito de têmpera e revenido. Aplicação: parafusos de bomba de mineroduto.
Tração
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
20
40
60
80 304 L1
 304 L2
 304 T1
 304 T2
 439 L1
 439 L2
 439 T1
 439 T2
 444 L1
 444 L2
 444 T1
 444 T2
 IF L1
 IF L2
 IF T1
 IF T2
 Pb L1
 Pb L2
 Pb T1
 Pb T2
T
e
n
s
ã
o
 
(
k
g
f
/
m
m
2
)
Deformação (%)
Curvas de tração para aços inoxidáveis.
Aplicação: tanque de combustível de automóveis.
Tração
Aço convencional e aço microligado. Aplicação: rodas de automóveis. 
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
T
e
n
s
ã
o
 
(
M
P
a
)
Deformação (%)
 409A
 430E
 439A
 441A
 F17T
Curvas de tração para aços inoxidáveis. Aplicação: sistema de escapamento de automóveis.
Ensaio de tração com entalhe :
Curvas tensão x deformação para aços bifásicos.
Aplicação: rodas de automóveis.
Dureza
Ensaio de dureza : equipamento - GESFRAM
Ensaio de dureza : técnicas
Dureza
Escalas de dureza
Ensaio de dureza : técnicas
Dureza
0 2 4 6 8 10
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
0 2 4 6 8 10
100
120
140
160
180
200
220
240
260
280
 SOLDA FABRICAÇÃO 2
M
i
c
r
o
d
u
r
e
z
a
 
V
i
c
k
e
r
s
 
(
H
V
)
Distância do centro da solda (mm)
Perfil de microdureza em junta soldada de aço estrutural, trommel.
Dureza
Análise de falha em pinhão redutor, bomba de mineroduto.
Tenacidade à Fratura
Ensaio de tenacidade à fratura: equipamento -
GESFRAM
Tenacidade à Fratura
Ensaio de tenacidade à
fratura: equipamento -
GESFRAM
Tenacidade à Fratura
Corpos-de-Prova
Tenacidade à Fratura
Aço AISI/SAE 498 martensítico. Aplicação: cutelaria.
Tenacidade à Fratura
Ensaio para determinação de KC
Liga Al-7475 T-7351
Aplicação: indústria aeronáutica.
Curvas obtidas em ensaio de Curvas obtidas em ensaio de δδmmááxx com um acom um açço do tipo AISI/SAE 4140. o do tipo AISI/SAE 4140. 
AplicaAplicaçção: parafusos de bomba de ão: parafusos de bomba de minerodutomineroduto..
Tenacidade à Fratura
Ensaio de tenacidade J-R em
um aço USI-SAC-50.
Aplicação: construção civil.
Tenacidade à Fratura
0 1 2 3 4 5 6 7
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
 Cr-LT SG=25%
 Si-LT SG=25%
 Cr-LT SG=37%
 Si-LT SG=37%
 Cr-LT SG=0%
 Si-LT SG=0%
J
 
(
k
P
a
.
m
)
∆a (mm)
Curvas J-R em aços bifásicos. Aplicação: rodas de automóveis.
0 1 2 3 4 5 6
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8 Cr-LT SG25%
 Cr-LT SG37%
 Cr-TL SG25%
 Cr-TL SG37%
 Si-LT SG25%
 Si-LT SG37%
 Si-TL SG25%
 Si-TL SG37%
δ
Q
 
(
m
m
)
∆a (mm)
Tenacidade à Fratura
Curvas CTOD-R em aços bifásicos. Aplicação: rodas de automóveis.
Impacto
Ensaio de impacto: 
equipamento – GESFRAM
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
 
Pêndulo 
Pêndulo
CP 
Charpy 
CP 
Izod 
Testes de impacto Charpy e Izod.
Ensaio de Impacto : Teste CHARPY
 
Energia 
de 
fratura 
Dispositivo utilizado para o ensaio de impacto.
Impacto
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
20
40
60
80 Settling curve:
y=34,094+33,801*tanh[(x+34,094)/45]
Correlation coefficient (R)=0,9882
E
n
e
r
g
y
 
(
J
)
Temperature (ºC)
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
0
20
40
60
80
100
120
140
Settling curve:
y=57,717+59,939*tanh[(x+2,166)/60]
Correlation coefficient (R)=0,97398
Temperature (ºC)
E
n
e
r
g
y
 
(
J
)
Junta soldada de aço USI-SAC 50
(a) Entalhe ao longo da espessura;
(b) Entalhe ao longo do cordão.
Fadiga
Ensaio de fadiga: equipamento – GESFRAM
Fadiga
Ensaio de fadiga: equipamento – GESFRAM/CDTN
 
Aplicação da carga 
Motor Contador 
de ciclos
Garras para o CP
CP
Ensaios de fadiga : abordagem pela curva de 
Wöhler
fa NDC log+=σ
( )Bfa NA=σ
Fadiga
Corpos-de-Prova
105 106 107
200
400
600 Aço Pb L
 Aço Al L
 Aço 439 L
 Aço 304 L
T
e
n
s
ã
o
 
m
á
x
i
m
a
 
(
M
P
a
)
Nf (ciclos)
Curvas S x N para aços inoxidáveis.
Aplicação: tanque de combustível de automóveis.
103 104 105 106 107 108
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Aço AISI-4140
R = 0,3
2
1
1
1
Equação de melhor adjuste:
Log N = 13,92 - 3,42 Log (Smáx - 486)
 
 
T
e
n
s
ã
o
 
M
á
x
i
m
a
,
 
S
 
m
á
x
,
 
[
 
M
P
a
 
]
Vida em Fadiga, [ N ]
Aço AISI/SAE 4140 – efeito de têmpera e revenido. Aplicação: parafusos de bomba de mineroduto.
102 103 104 105 106 107 108
40
50
60
70
80
90
100
P
m
a
x
 
(
 
%
 
P
L
R
 
)
Nf (ciclos)
 4140 tt1
 4140 tt2
 4140 tt3
 4140 tt1 c/e
 4140 tt4
Aço AISI/SAE 4140 – efeito de têmpera e revenido. Aplicação: parafusos de bomba de mineroduto.
Curvas S x N para aços inoxidáveis. Aplicação: sistemade escapamento de automóveis.
Fadiga-Corrosão para aços inoxidáveis. Aplicação: sistema de escapamento de automóveis.
Efeito de composição química na vida em fadiga de aços bifásicos. 
Fonte GESFRAM/UFOP
103 104 105 106 107 108 109
400
450
500
550
600
Vida infinita
σLR
σLR
2
1
3
5
2
5
σ
m
á
x
 
(
M
P
a
)
Nf (ciclos)
 Cr entrega
 Si entrega
103 104 105 106 107 108 109
300
400
500
600
700
800
1
1
1
5
5
Vida infinita
σLR
σLR
 Cr tratado
 Si tratado
σ
m
á
x
 
(
M
P
a
)
Nf (ciclos)
103 104 105 106 107 108 109
300
350
400
450
500
550
600
650
700
Vida infinita
5
1
1
σ
LR
σLR
5
2
σ
m
á
x
 
(
M
P
a
)
Nf (ciclos)
 DP-Cr entrega
 DP-Cr tratado
103 104 105 106 107 108 109
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Vida infinita
5
σLR
σLR
2
5
3
σ
m
á
x
 
(
M
P
a
)
Nf (ciclos)
 DP-Si entrega
 DP-Si tratado
Efeito de pré-deformação e de tratamento térmico de “bake hardening”
na vida em fadiga de aços bifásicos. Fonte GESFRAM/UFOP
102 103 104 105 106 107 108
200
250
300
350
400
450
500
550
600
vida infinita
σLR
σLR
T
e
n
s
ã
o
 
m
á
x
i
m
a
 
(
M
P
a
)
Vida (ciclos)
 C-Nb
 C-Mn
Efeito de composição química (tamanho de grão e precipitação) na vida em fadiga 
de aço C-Mn e de aço C-Mn-Nb. Fonte GESFRAM/UFOP
Ensaios de fadiga : aplicação da Mecânica de 
Fratura 
Clivagem 
e/ou 
coalescimento de 
microcavidades
Mecanismo de estriasSuperfície 
facetada 
Insensível à 
microestrutura e a 
propriedades de 
escoamento 
Sensível à 
microestrutura e a 
propriedades de 
escoamento 
Sensível à 
microestru-
tura e a 
proprieda-
des de 
escoamento
( )da
dN
C K m= 1 1∆
Fadiga
Corpos-de-Prova
Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca de fadiga numa 
superliga INCONEL 600. 
1 10 100
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
Inconel Alloy 600
R = 0.1, Kc = 40.08 MPa√m
 ∆Kth = 6.38 MPa√m
Data, Sample size = 65
Modified Collipriest model 
Modified Priddle model 
d
a
/
d
N
 
(
m
/
c
y
c
l
e
)
∆K (MPa√m)
1 10 100
1E-10
1E-9
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
Model Parameters: 
 Collipriest: C = 1.172E-9 n = 1.909
 Priddle: C = 8.754E-6 n = 1.750
 Modified Forman: C = 3.559E-9 n = 2.719 
7475-T7351, 3% pre-strain, R = 0.5
 All data points (Sample size = 242)
∆Kth = 1.45 MPa.m
1/2 ; Kc = 92.8 MPa.m
1/2
d
a
/
d
N
 
,
 
(
m
/
c
y
c
l
e
)
∆K , (MPa.m1/2)
Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca de fadiga numa 
liga Al-7475-T7351. 
10 100
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
0,1
 DP-Cr TL R=0.1
 DP-Cr TL R=0.3
 DP-Cr TL R=0.6
d
a
/
d
N
 
(
m
m
/
c
y
c
l
e
)
∆K (MPa.m1/2)
Fadiga
( )da
dN
f K
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ = ∆
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
4
6
8
10
12
 DP-Cr TL
∆
K
t
h
 
(
M
P
a
.
m
1
/
2
)
R
Ensaio de propagação de trinca de fadiga em 
um aço bifásico. Aplicação: rodas de 
automóveis.
Efeito do limite de escoamento 
no limiar de propagação de trinca 
para aços bifásicos.
Aplicação: rodas de automóveis.
Fadiga
Ensaio de propagação de trinca de fadiga em ligas de alumínio. Aplicação: indústria aeronáutica.
1 10
1E-8
1E-7
1E-6
1E-5
1E-4
1E-3
0,01
2024 T-351
7475 T-7351
d
a
/
d
N
 
(
m
m
/
c
i
c
l
o
)
∆ K (MPa.m1/2)
2 3 4
0,3
0,4
0,5
0,6
Al-7475
Al-2024
K
c
l
/
K
m
a
x
∆K (MPa.m1/2)
Curvas de propagação de trinca de fadiga de duas ligas de alumínio de emprego aeronáutico. 
R = 0,3. Corpos-de-prova C(T).
 Shot peening Centro 
Efeito de pré-deformação e de shot peening na resistência à fadiga de uma liga Al-7475 T7351. 
Corpos-de-prova C(T).
19,0 19,5 20,0 20,5 21,0
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
Sobrecarga
7475 T-7351
7050 T-7451
2024 T-351
d
a
/
d
N
 
(
m
m
/
c
i
c
l
o
)
a (mm)
Taxa de propagação de trinca em função do tamanho de trinca; três ligas de 
alumínio que sofreram sobrecarga de 100%.
Aplicação: indústria aeronáutica.
Fluência
Ensaio de fluência: equipamento
Fluência
Fluência
da
dt
h C
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ = ( )
*
Corrosão sob Tensão
Ensaio de corrosão sob tensão: equipamento GESFRAM
Caracterização do fenômeno
 
Tensão
(tração)
Material
susceptível
Meio
corrosivo
CST
Três condições simultâneas requeridas para ocorrer CST, além do tempo.
A B
Forças
impulsoras
Tempo
Fratura do CP
tensionado
Eletroquímica
Mecânica
CP sem tensão
Transição
Início da CST Propagação CST
C
X
Estágio I
Estágio II
Estágio III
σ K ou J
T
m
n
h
o
d
e
t
r
i
n
c
a
P
r
o
f
u
n
d
i
d
a
d
e
d
e
p
i
t
e
a
a
Influência de fatores mecânicos e eletroquímicos na corrosão sob tensão.
 
 (a) (b) (c)
 
 (d) (e) (f)
5 - Corpos-de-prova trincados por corrosão sob tensão; (a,b,c) – sistema: aço inoxidável
austenítico AISI 304/soluções contendo cloretos (pH ≅ 0,0), temperatura ambiente; (d,e,f)
– sistema: aço inoxidável duplex 2205/soluções com 42% (peso) MgCl2 (143oC); CPs:
(a,b) tração liso; (c) tração com entalhe; (d) em U; (e) tração-compacto - C(T) -; (f) duplo
entalhe (TN-DCB)
Corrosão sob Tensão
Ensaio de corrosão sob tensão : 
propagação de trinca 
Efeito do valor do fator K aplicado no material no tempo de fratura. 
Aço inoxidável duplex, meio rico em cloretos. 
Corrosão sob Tensão
( )da
dt
g K
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟ =
Ensaio de corrosão sob tensão : propagação de 
trinca 
Crescimento de trinca por corrosão sob tensão transgranular. Aço inoxidável duplex, 
meio rico em cloretos.
Ensaio de corrosão sob tensão : propagação de 
trinca 
 
Entalhe 
Pré-trinca por 
fadiga 
TCST 
Ruptura mecânica 
por tração 
 
Pré-trinca
TCST
Ruptura 
mecânica 
(tração) 
Macrofratografias de fratura por corrosão sob tensão 
(a) e (b). Microfratografias através de análise no 
MEV: (c) região de TCST (fratura completamente 
frágil), 2000X. (d) região final de fratura (fratura 
dúctil – presença de dimples), 1000X.
Ensaios Não-Destrutivos
Î Líquidos penetrantes
Î Partículas magnéticas
Î Correntes parasitas
Î Radiografia
Î Ultra-som
Líquidos Penetrantes
Etapas genéricas do processo de análise por líquidos penetrantes.
Líquidos Penetrantes
Exame por líquidos penetrantes de um eixo que sofreu trincamento por fadiga em serviço.
Líquidos Penetrantes
Corpo-de-prova pré-ensaiado
em fadiga.
Ensaio de líquidos penetrantes.
Corpo-de-prova rompido por ensaio
de tração, a partir de trinca previamente
detectada.
Partículas Magnéticas e Correntes Parasitas
Técnica das partículas magnéticas.
(para materiais ferromagnéticos)
Técnica das correntes parasitas.
(para materiais que conduzem eletricidade)
Partículas Magnéticas e Correntes Parasitas
Aplicação da técnica das partículasmagnéticas
em um gancho de guindaste.
Aplicação da técnica das partículas magnéticas
em uma tubulação.
Partículas Magnéticas e Correntes Parasitas
Aplicação da técnica das correntes parasitas na inspeção de tubulações de um trocador de calor.
Radiografia
Exemplo de utilização desta técnica para 
avaliação do nível de defeitos em uma peça 
fundida.
Princípio de funcionamento da análise por raios-X.
Ultra-som
Esquema de realização de um ensaio de ultra-sonografia.
Ultra-som
Ultra-som
Ultra-som
Ultra-som
Ultra-som
Ultra-som
Ensaio de ultra-som em junta
soldada.
	Técnicas de Análise Comportamental
	Técnicas de Análise Comportamental
	Técnicas de Análise Comportamental
	Tração
	Tração
	Tração
	Dureza
	Dureza
	Dureza
	Dureza
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Tenacidade à Fratura
	Impacto
	Impacto
	Fadiga
	Fadiga
	Fadiga
	Fadiga
	Fadiga
	Fadiga
	Fluência
	Fluência
	Fluência
	Corrosão sob Tensão
	Corrosão sob Tensão
	Corrosão sob Tensão