tec05 Fratura, Fadiga e Fluência

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Unidade V FRATURA, FLUÊNCIA E FADIGA
CONTEÚDO DESTA UNIDADE
Introdução.
Fratura:
Fratura Dúctil.
Fratura Frágil.
Concentração de Tensão.
Ensaio de Choque.
Fluência.
Fadiga.
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Fratura, Fluência e Fadiga
INTRODUÇÃO
O projeto de um componente ou estrutura exige com freqüência que se minimize a possibilidade de falhas.
A falha de um material em serviço é sempre um evento indesejável, pois:
Vidas humanas podem ser colocadas em perigo.
Perdas econômicas.
Interrupção no fornecimento de bens e serviços.
É importante, então, compreender as diferentes modalidades de falha: FRATURA, FADIGA e FLUÊNCIA.
Embora seja difícil se garantir que falhas não ocorram, as suas causas usuais são:
Seleção ou processamento inadequado dos materiais.
Projeto inapropriado.
Má utilização da peça/componente.
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FRATURA
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Consiste na SEPARAÇÃO DE UM CORPO EM DUAS OU MAIS PARTES, em resposta a uma aplicação de uma TENSÃO ESTÁTICA (constante ou que varia lentamente com o tempo), em uma TEMPERATURA BAIXA em relação ao ponto de fusão do material.
A tensão pode ser de TRAÇÃO, COMPRESSÃO, CISALHAMENTO ou TORCIONAL. Nesta unidade, discutem-se apenas a fratura resultante de ESFORÇOS TRATIVOS UNIAXIAIS.
Existem dois tipos gerais de fratura, cada um com características próprias em nível MICROSCÓPICO e MACROSCÓPICO: 
DÚCTIL ou POR ESCORREGAMENTO: acompanhada por uma deformação plástica substancial e com grande absorção de energia.
FRÁGIL ou POR SEPARAÇÃO: acompanhada por pouca ou nenhuma deformação plástica e com baixa absorção de energia.
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Fratura
Qualquer processo de fratura envolve 2 etapas: a formação e a propagação de trincas, em resposta à aplicação de uma tensão.
A fratura dúctil é caracterizada por EXTENSA DEFORMAÇÃO PLÁSTICA na vizinhança de uma trinca que está avançando. O processo de abertura e propagação da trinca é relativamente lento (ESTÁVEL).
Na fratura frágil, as trincas se espalham de maneira extremamente rápida. O processo é INSTÁVEL: uma vez aberta, a trinca se propaga ESPONTANEAMENTE, SEM AUMENTO DA TENSÃO APLICADA.
A fratura dúctil é geralmente PREFERÍVEL pois:
A fratura frágil ocorre REPENTINAMENTE e CATASTROFICAMENTE, sem aviso (deformação plástica).
No caso da fratura dúctil, por outro lado, a deformação plástica alerta de que a fratura é eminente, permitindo a tomada de medidas preventivas.
DÚCTIL E FRÁGIL SÃO TERMOS RELATIVOS.
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FRATURA DÚCTIL
Uma fratura dúctil sob tensão de tração envolve as seguintes etapas:
Inicialmente ocorre a ESTRICÇÃO.
Formam-se pequenas cavidades na região estrangulada. Admite-se que essas cavidades se formam em INCLUSÕES. Ocorre a ação das DISCORDÂNCIAS, que se amontoam em torno de uma inclusão ou do contorno de grão, elevando assim a tensão.
As cavidades aumentam de tamanho, unindo-se (COALESCEM).
A trinca formada se estende rapidamente na seção transversal.
A fratura ocorre pela rápida propagação de uma trinca ao redor do perímetro externo, em uma direção de 45º em relação ao eixo de tração.
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Fratura dúctil
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Fratura do tipo “TAÇA E CONE” no alumínio
As superfícies da fratura podem formar o contorno característico conhecido como TAÇA e CONE
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FRATURA FRÁGIL
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Ocorre sem qualquer estrangulamento aparente, através de rápida propagação de uma trinca.
A direção do movimento da trinca é quase PERPENDICULAR à direção da tensão aplicada, produzindo uma superfície de fratura relativamente PLANA.
Fratura frágil no aço.
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Fratura frágil
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Dependendo do modo de propagação da trinca, a fratura frágil pode ser:
TRANSGRANULAR: a trinca avança devido à quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas em planos cristalográficos específicos. Este processo é denominado CLIVAGEM e é comum à maioria dos materiais frágeis cristalinos.
INTERGRANULAR: a trinca segue os contornos de grão.
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CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO
Todos os materiais apresentam um grande número de pequenos defeitos ou trincas, os quais possuem diversos tamanhos, geometrias e orientações.
A presença dessas trincas DIMINUI A RESISTÊNCIA DO MATERIAL À FRATURA porque uma tensão aplicada é AMPLIFICADA próximo às suas extremidades.
Devido a essa capacidade de amplificar uma tensão aplicada em suas vizinhanças, esses defeitos são chamados de FATORES DE CONCETRAÇÃO DE TENSÃO.
A magnitude dessa amplificação depende da geometria e da orientação da trinca. QUANTO MAIS PONTIAGUDA A TRINCA (MENOR O RAIO DE CURVATURA DA PONTA), MAIOR É ESSE EFEITO.
A concentração de tensão é mais significativo em materiais frágeis do que em materiais dúcteis.
A amplificação da tensão pode ocorrer também em descontinuidades como VAZIOS, ARESTAS VIVAS e ENTALHES.
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O grau em que uma tensão externa 0 é amplificada é medido através do FATOR DE CONCETRAÇÃO DE TENSÃO Ke:
2a
a
X’
X
0
0
Concentração de tensão
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m
0
Tensão
Se e << a:
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EXEMPLO: PROBLEMA 8.3, PÁGINA 162
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Qual a magnitude da tensão máxima que existe na extremidade de uma trinca interna que possui um raio de curvatura de 2,5×10-4 mm e um comprimento de trinca de 2,5×10-2 mm quando uma tensão de tração de 170 MPa é aplicada?
SOLUÇÃO: dos dados do problema, tem-se:
a = 2,5×10-2 mm/2 = 1,25×10-2 mm.
e = 2,5×10-4 mm.
0 = 170 MPa.
Logo:
m = 2404,2 MPa
A tensão aplicada 0 foi amplificada 14 VEZES na ponta da trinca!
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ENSAIOS DE CHOQUE
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FINALIDADE: medir a energia absorvida por uma amostra de material submetida a uma carga de impacto (choque) de valor conhecido. Determina a TENACIDADE do material.
Há diversas técnicas e equipamentos disponíveis. Os métodos mais comuns para metais são os ensaios padronizados CHARPY e IZOD. Em ambos o golpe é aplicado através de um peso oscilante (MARTELO DE PÊNDULO).
Tanto na técnica CHARPY como IZOD, o corpo de prova possui o formato de uma barra com seção reta quadrada, na qual é usinada um entalhe em “V”.
A diferença entre os dois ensaios está na forma como o corpo de prova é posicionado na máquina.
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ENSAIOS CHARPY E IZOD
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Ensaios Charpy e Izod
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A seqüência de ensaio é:
O pêndulo é libertado de uma altura inicial, onde adquire ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL. 
Ao cair, atinge o corpo de prova, continuando sua trajetória até uma altura menor.
A diferença entre a energia potencial gravitacional inicial e final corresponde à energia absorvida pelo corpo. Essa energia é lida diretamente na escala da máquina (em kgf·m, kgf ·cm, kgf ·mm ou Joules).
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TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL
Em algumas situações, materiais normalmente DÚCTEIS podem sofrer fratura FRÁGIL.
Uma das principais funções dos ensaios CHARPY e IZOD é determinar se um material experimenta ou não a TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL.
Alguns metais sofrem fratura FRÁGIL, com BAIXA ABSORÇÃO DE ENERGIA, abaixo de uma temperatura crítica (DE TRANSIÇÃO) ou faixa de temperaturas. Acima dessa(s) temperatura(s), entretanto, a fratura se torna DÚCTIL, com MAIOR ABSORÇÃO DE ENERGIA.
Ligas que apresentam esse comportamento devem ser utilizadas apenas em temperaturas acima da temperatura de transição, a fim de se evitarem fraturas FRÁGEIS e CATASTRÓFICAS.
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Exemplos clássicos desse fenômeno ocorreram durante a SEGUNDA GUERRAMUNDIAL, quando inúmeros navios de transporte repentina e abruptamente partiram ao meio, de modo semelhante à figura abaixo. 
Os cascos dessas embarcações eram fabricados de um aço que possuía ductilidade adequada, de acordo com ensaios realizados à TEMPERATURA AMBIENTE.
Quando os navios atravessavam o Mar do Norte, cujas águas estão a aproximadamente 4 ºC (PRÓXIMO À TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO DA LIGA), ocorriam fraturas frágeis.
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Transição dúctil-frágil
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Transição dúctil-frágil
Através dos ensaios de impacto, é obtida uma curva de ENERGIA DE IMPACTO X TEMPERATURA.
Se o material apresenta transição dúctil-frágil, observa-se uma redução ABRUPTA da energia absorvida em uma dada temperatura ou faixa de temperaturas.
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Consiste na DEFORMAÇÃO PLÁSTICA, LENTA E PROGRESSIVA, QUE OCORRE SOB CARGA CONSTANTE, À MEDIDA QUE ATEMPERATURA AUMENTA.
Com muita freqüência, materiais metálicos são colocados em serviço sob altas temperaturas e expostos a tensões mecânicas estáticas. Exemplos: rotores de turbinas a jato, componentes de reatores nucleares, linhas de vapor.
A fluência é significativa para o ALUMÍNIO ACIMA DE 150 ºC. PARA OS AÇOS, ACIMA DE 350 ºC. O CHUMBO É SUJEITO A ESSE FENÔMENO À TEMPERATURA AMBIENTE.
A fluência é influenciada pelo NÍVEL DE TENSÃO, TEMPERATURA e TEMPO. As temperaturas mais elevadas aumentam a mobilidade das discordâncias, favorecendo a deformação plástica.
A fratura geralmente é INTERGRANULAR, ocorrendo no contorno de grão. Nesse caso, aumentando-se um material com GRANULOMETRIA MAIS GROSSEIRA é mais resistente à fratura por fluência.
FLUÊNCIA
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A fratura geralmente é INTERGRANULAR, ocorrendo no contorno de grão. Nesse caso, aumentando-se um material com GRANULOMETRIA MAIS GROSSEIRA é mais resistente à fratura por fluência (possui uma área total de contorno de grão menor).
Fluência
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COMPORTAMENTO GERAL DA FLUÊNCIA
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ENSAIOS DE FLUÊNCIA
Para os materiais metálicos, a maioria dos ensaios de fluência envolve TRAÇÃO UNIAXIAL, com corpos de prova de mesma geometria daqueles empregados em ensaios de tração.
Os ensaios utilizam 3 dispositivos principais:
FORNO ELÉTRICO, com controle de temperatura.
EXTENSÔMETRO.
DISPOSITIVO DE CARGA.
Os ensaios permitem a obtenção de vários dados importantes. Dois aspectos importantes são: 
RESISTÊNCIA À FLUÊNCIA: tensão a uma dada temperatura que produz uma certa velocidade mínima de deformação. Exemplos: tensão para produzir uma velocidade de 1% em 10.000 horas (para ligas de motores a jato) ou 1% em 100.000 horas (11,5 anos, para turbinas a vapor). 
RESISTÊNCIA À RUPTURA SOB FLUÊNCIA: tensão a uma dada temperatura necessária para provocar a ruptura em um dado tempo (100, 1.000 ou 10.000 horas).
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Ensaios de fluência
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Quando o tempo total de ensaio é excessivamente longo (DA ORDEM DE ANOS), o que torna o teste impraticável, realiza-se a EXTRAPOLAÇÃO dos dados de um ensaio realizado com uma duração menor, com nível de tensão comparável mas a TEMPERATURAS MAIS ELEVADAS do que as encontradas em condições de serviço. 
FADIGA
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Falha que ocorre em estruturas e componentes mecânicos sujeitos a tensões OSCILANTES e DINÂMICAS. Nessas condições, a ruptura pode ocorrer mesmo que a tensão aplicada seja INFERIOR à resistência estática do material, desde que o esforço seja aplicado REPETIDAMENTE.
O termo “FADIGA” é empregado porque a falha normalmente ocorre após um tempo prolongado.
Estimam-se que 90% das falhas em metais são causadas por fadiga.
A falha por fadiga é de NATUREZA FRÁGIL, mesmo em materiais dúcteis: há pouca ou nenhuma deformação plástica associada à fratura.
As trincas associadas a falhas por fadiga quase sempre se iniciam na SUPERFÍCIE de um componente, em algum PONTO DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO: RISCOS SUPERFICIAIS, MUDANÇAS BRUSCAS DE SEÇÕES, ENTALHES, PEQUENAS INCLUSÕES E TRINCAS PRÉ-EXISTENTES, VAZIOS, entre outros.
TENSÕES CÍCLICAS
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A tensão aplicada pode ser axial (TRAÇÃO-COMPRESSÃO), de flexão ou torcional.
Em geral, são possíveis 3 modalidades de tensões flutuantes:
CICLO DE TENSÕES ALTERNADAS OU REVERSÍVEIS.
CICLO DE TENSÕES REPETIDAS.
CICLO DE TENSÕES ALEATÓRIAS OU CICLO COMPLEXO.
TENSÕES (+): TRAÇÃO
TENSÕES (-): COMPRESSÃO
FRATURA POR FADIGA
Etapas do processo de falha por fadiga:
ESTÁGIO I: início da trinca em algum ponto de alta concentração de tensões.
ESTÁGIO II: propagação da trinca (a trinca avança em incrementos a cada ciclo de tensões).
ESTÁGIO III: fratura final rápida uma vez que a trinca atingiu o seu tamanho crítico.
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Fratura por fadiga
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ENSAIOS DE FADIGA
Consistem em se submeter uma série de corpos de prova a cargas decrescentes, cíclicas ou alternadas, que podem levar o material à ruptura após certo tempo.
Através de um ensaio de fadiga, pode-se determinar:
LIMITE DE FADIGA: tensão abaixo da qual uma carga pode ser aplicada repetidamente, por tempo indefinido, 	SEM QUE OCORRA RUPTURA. Exemplos: ALUMÍNIO, MAGNÉSIO, CERTAS LIGA DE TITÂNIO, AÇOS DE BAIXO CARBONO).
RESISTÊNCIA À FADIGA: tensão para a qual ocorre a falha, após um certo número de ciclos de aplicação de carga.
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LIMITE DE FADIGA
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RESISTÊNCIA À FADIGA
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FATORES QUE INFLUENCIAM A RESISTÊNCIA À FADIGA
NÍVEL DE TENSÃO MÉDIA: quanto maior, menor o número de ciclos até a falha (VIDA EM FADIGA).
EFEITOS DA SUPERFÍCIE:
VARIÁVEIS DE PROJETO: suavização de descontinuidades, como cantos vivos, raios de curvatura. Esses elementos funcionam como CONCETRADORES DE TENSÃO, reduzindo a vida da peça.
ACABAMENTO SUPERFICIAL: melhoria do acabamento da superfície da peça (eliminação de riscos e sulcos, decorrentes de um processo de usinagem, por exemplo) aumenta a vida resistência à fadiga.
ENDURECIMENTO DA CAMADA SUPERFICIAL: aumenta o número de ciclos necessários até a falha.
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