Falhas e Fratura dos materiais

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FALHA OU RUPTURA NOS METAIS
Fratura
Fluência
Fadiga
 
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Falhas
falha é a quebra do componente em serviço;
problemas acarretados pelas falhas:
riscos para as pessoas;
perda do equipamento ou máquina;
perda devido às paradas;
causas mais comuns:
seleção imprópria dos materiais;
processamento incorreto do componente;
projeto inadequado do componente;
uso incorreto do componente;
conhecer os mecanismos de falha ajuda a evita-la
a temperatura e o modo como é aplicado o carregamento têm influência no modo de falha.
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Fratura dos Materiais
fratura é separação de um corpo em duas ou mais partes em resposta a uma solicitação mecânica;
as solicitações podem ser: tração, compressão, torção, flexão, carregamento transversal e a combinação de alguns;
a temperatura é baixa quando comparada ao ponto de fusão do material do componente;
o carregamento é considerado estático – não varia com o tempo ou varia lentamente;
pode ser classificada como;
fratura dúctil;
fratura frágil
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Dúctil: a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura (É OBSERVADA EM MATERIAIS CFC)
Frágil: não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material (É OBSERVADA EM MATERIAIS CCC E HC)
O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende 
da temperatura
Fratura dos Materiais
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FRATURA
Fraturas dúcteis
Fratura frágil
O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende da temperatura
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cada estrutura cristalina apresenta determinados sistemas de escorregamento característicos;
Deformação Plástica
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Fratura Dúctil
ocorre deformação plástica antes da fratura;
materiais dúcteis apresentam fratura dúctil a temperatura ambiente;
a estricção é característica deste modo de fratura;
os estágios de formação são:
aparecimento de microcavidades;
crescimento e coalescimento das microcavidades formando trinca elíptica perpendicular a direção da carga;
propagação rápida da trinca próximo da superfície do material em ângulo de 45º com a carga;
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a- formação do pescoço
b- formação de cavidades (nucleação)
c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura
d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada
e- rompimento do material por propagação da trinca
Fratura Dúctil: MECANISMO
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Fratura Dúctil - continuação
ocorre por escorregamento de planos cristalográficos preferenciais – nucleação e propagação da trinca estão ligados a vazios, inclusões e barreiras;
aparência fosca e fibrosa;
condição mecânica – tensão de cisalhamento
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Fratura Dúctil - continuação
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Fratura Dúctil - continuação
aparência fosca e fibrosa
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Fratura Dúctil - continuação
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dimples esféricos – fratura resultante de carregamento uniaxial
dimples parabólicos – fratura resultante de cisalhamento
Fratura Dúctil - ASPECTO MICROSCÓPICO
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Fatores de Influência - Fratura Dúctil
estado de tensão;
percurso e velocidade de deformação;
pureza do material;
encruamento prévio;
temperatura.
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Fratura Frágil
não ocorre deformação plástica considerável antes da fratura e a propagação de trincas é rápida;
não ocorre estricção;
pode ocorrer por clivagem – separação das ligações atômicas em planos específicos – transgranular;
ou por separação de contornos de grão – intergranular;
a separação ocorre a 90º em relação a carga;
aspecto brilhante e granular;
condição mecânica – tensão trativa.
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FRATURA FRÁGIL: ASPECTO MACROSCÓPICO
A fratura frágil (por clivagem) ocorre com a formação e propagação de uma trinca
que ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão
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FRATURA FRAGIL TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR
TRANSGRANULAR
INTERGRANULAR
A fratura passa através do grão
A fratura se dá no contorno de grão
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FRATURA FRÁGIL ASPECTO MACROSCÓPICO
Início da fratura por formação de trinca
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Temperatura de Transição
muitos metais apresentam uma transição dúctil-frágil em um intervalo de temperatura característico;
é característica de metais CCC e HC;
os elementos de liga presentes e o tamanho de grão influenciam na temperatura de transição;
deve-se ter cuidado quando se escolhe um material que apresente esta transição para fabricação de peças que serão utilizadas a baixas temperaturas.
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Temperatura de Transição
deve-se ter cuidado quando se escolhe um material que apresente esta transição para fabricação de peças que serão utilizadas a baixas temperaturas
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Fluência
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Fluência
um componente mecânico pode sofrer deformação plástica ao longo do tempo sob cargas constantes - fluência;
deve-se escolher ligas adequadas para utilizações em altas temperaturas;
a curva de fluência representa a resposta do material a tensões constantes em altas temperaturas;
a curva de fluência apresenta 3 estágios distintos:
fluência primária;
fluência secundária;
fluência terciária.
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Fluência – Curva de Fluência
encruamento
recuperação
estricção
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FLUÊNCIA (CREEP)
Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material
Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura
Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas
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Então, fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante
Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura
FLUÊNCIA (CREEP)
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FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA
Temperatura
Módulo de elasticidade
Tamanho de grão
Em geral:
 Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de 
elasticidade e maior é a resist. à 
fluência.
Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à 
fluência.
FLUÊNCIA (CREEP)
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ENSAIO DE FLUÊNCIA
É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante
O tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do componente
Mede-se as deformações ocorridas em função do tempo ( x t)
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Estágio primário: ocorre um decréscimo contínuo na taxa de fluência ( = d/dt), ou seja, a inclinação da curva diminui com o tempo devido ao aumento da resistência por encruamento.
ENSAIO DE FLUÊNCIA: Curva  x t
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Estágio secundário: a taxa de fluência ( = d/dt) é constante (comportamento linear). A inclinação da curva constante com o tempo é devido à 2 fenômenos competitivos: encruamento e recuperação.
O valor médio da taxa de fluência nesse estágio é chamado de taxa mínima de fluência (m), que é um dos parâmetros mais importantes a se considerar em projeto de componentes que deseja-se vida longa.
ENSAIO DE FLUÊNCIA: Curva  x t
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Estágio terciário: ocorre uma aceleração na taxa de fluência ( = d/dt) que culmina com a ruptura do corpo de prova.
A ruptura ocorre com a separação dos contornos de grão, formação e coalescimento de trincas, conduzindo a uma redução de área localizada e consequente aumento da taxa de deformação
ENSAIO DE FLUÊNCIA: Curva  x t
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Fadiga
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Fadiga
este tipo de falha ocorre em componentes sujeitos a carregamentos cíclicos;
a falha irá ocorrer mesmo se o carregamento não alcançar a tensão admissível do material em carregamento estático;
a falha por fadiga está relacionada com a propagação de trincas superficiais e externas no material do componente
a vida do componente é baseada no número de ciclos até ruptura para um determinado carregamento cíclico;
a falha ocorre de maneira
rápida e catastrófica;
seu aspecto é o mesmo que o da fratura frágil;
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Carcaça de mancal
contador
Acoplamento flexível
Fadiga: ensaio
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fadiga de baixo ciclo – altas tensões gerando fadiga com menores números de ciclos;
fadiga de alto ciclo – baixas tensões gerando fadiga após muitos ciclos;
Fadiga: ensaio
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A tensão cíclica mais comum é caracterizada por uma função senoidal, onde os valores de tensão são representados no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas. As tensões de tração são representadas como positivas e as tensões de compressão como negativas. A figura a seguir apresenta três tipos de ciclos de tensão.
	O gráfico a mostra um gráfico de tensão reversa, assim chamado porque as tensões de tração têm valor igual às tensões de compressão.
	No gráfico b todas as tensões são positivas, ou seja, o corpo de prova está sempre submetido a uma tensão de tração, que oscila entre um valor máximo e um mínimo.
	O gráfico c representa tensões positivas e negativas, como no primeiro caso, só que as tensões de compressão têm valores diferentes das tensões de tração.
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As formas mais utilizadas de corpo de prova; para fadiga são apresentadas a seguir.
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Os resultados do ensaio de fadiga geralmente são apresentados numa curva tensão-número de ciclos, ou simplesmente curva S-N. O S vem da palavra inglesa stress, que quer dizer tensão, e N representa o número de ciclos.
Fadiga: curva S-N
	Supondo que, para uma certa solicitação de flexão S1 o corpo de prova se rompa em um certo número de ciclos N1, e para uma solicitação S2 se rompa em N2 ciclos, e assim por diante, pode-se construir o diagrama S-N, com a tensão no eixo das ordenadas e o número de ciclos no eixo das abscissas.
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Observando a curva obtida, à medida que se diminui a tensão aplicada, o corpo de prova resiste a um maior número de ciclos. Nota-se, também, que diminuindo a tensão a partir de um certo nível a curva se torna horizontal; o número de ciclos para o rompimento do corpo de prova torna-se praticamente infinito.
Esta tensão, que praticamente não provoca mais a fratura por fadiga, chama-se limite de fadiga ou resistência à fadiga do metal considerado
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	Para a maioria dos materiais, especialmente os metais não ferrosos como o alumínio, a curva obtida no diagrama S-N é decrescente. Portanto, é necessário definir um número de ciclos para obter a correspondente tensão, que será chamada de resistência à fadiga.
	Para o alumínio, cobre, magnésio e suas ligas, deve-se levar o ensaio a até 50 milhões de ciclos e, em alguns casos, a até 500 milhões de ciclos, para neste número definir a resistência à fadiga.
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É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas 
Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas)
É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas
A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis. 
Fadiga
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Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:
Tração
Tração e compressão
Flexão
Torção,...
Fadiga
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	RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA CURVA -N OU CURVA WOHLER
 
A CURVA -N REPRESENTA A TENSÃO VERSUS NÚMERO
 DE CICLOS PARA QUE OCORRA A FRATURA.
Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica
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 Limite de resistência à fadiga (Rf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nunca sofrerá ruptura por fadiga.
Para os aços o limite de resistência à fadiga (Rf) está entre 35-65% do limite de resistência à tração. 
Fadiga: ensaio
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 Resistência à fadiga (f): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga
Fadiga: ensaio
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Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.
Fadiga: ensaio
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A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca. 
A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de alta concentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)
A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido
Fadiga
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Fadiga – nucleação e propagação
existem duas etapas: nucleação e propagação de trincas;
a nucleação ocorre nas proximidades de concentradores de tensão e/ou precipitados próximos a superfície do componente – surgem sulcos (rego de arado) designados intrusões e extrusões devido à deformação plástica;
a propagação se dá em vários estágios:
a trinca se propaga por vários grãos cristalinos devido às fendas formadas na nucleação;
a trinca se propaga perpendicularmente à direção da carga com velocidades altas – surgimento de estrias de fadiga;
a trinca percorre uma área grande o suficiente para que o material não resista e rompa de maneira dúctil.
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Fadiga – fractografias
fractografia mostrando estrias (MET)
Textura opaca e fibrosa
Região onde a trinca se formou,
propagação lenta
Região de fratura rápida
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Fadiga – Fatores de Influência
concentradores de tensão – entalhes, furos, rasgos mudanças bruscas de seção;
rugosidade superficial – superfícies rugosas originam concentradores de tensão;
estado da superfície – tratamentos superficiais podem aumentar a resistências a fadiga;
ambiente – a corrosão e oxidação combinadas com as tensões cíclicas aumentam a velocidade de propagação das trincas.
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Tensão Média: o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útil
Efeitos de Superfície: variáveis de projeto (cantos agúdo e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)
Efeitos do ambiente: fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão (ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de corrosão)
Fadiga – Fatores de Influência
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Coalescimento: Tratamento térmico de recozimento com a finalidade de se obterem os carbonetos na forma esferoidal, também conhecido como esferoidização. Utiliza-se em produtos que necessitem reduzir sua dureza, para poderem ser deformados plasticamente.
Recozimento: Tratamento térmico em que o metal sofre aquecimento controlado até atingir determinada temperatura, permanece nessa temperatura por um certo tempo e sofre resfriamento lento no próprio forno. Os objetivos principais do recozimento são: remover tensões (devidas, muitas vezes, ao processo de fundição ou ao de conformação mecânica, a quente ou a frio), diminuir a dureza, melhorar a ductilidade, ajustar o tamanho dos grãos, regularizar a estrutura bruta de fusão, obter estruturas favoráveis para submeter o metal a outros processos, eliminar os efeitos de quaisquer tratamentos mecânicos e térmicos anteriores (restituir características que foram alteradas), atenuar heterogeneidades ou, ainda, eliminar ou reduzir tensões internas.
Dicionário
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Encruamento: Elevação da tensão de escoamento na fase de deformação plástica, ou seja, é o fenômeno que ocorre no metal com aumento da dureza devido à deformação plástica (só ocorre a frio). O encruamento causa modificações nas propriedades mecânicas do material.
Fluência: Fenômeno pelo qual metais e ligas tendem a sofrer deformações plásticas quando submetidos por longos períodos a tensões constantes, porém inferiores ao limite de resistência normal do material. Pode ser ativada pela temperatura (sua ocorrência é comum a temperaturas elevadas), e se manifesta com o passar do tempo. Esta deformação produz fissuras no material e pode levar à ruptura.
À temperatura ambiente, a deformação das estruturas metálicas é muito pequena, a não ser que a carga adquira uma tal intensidade que se aproxime da tensão de ruptura. Entre os equipamentos que estão sujeitos a falhar por fluência estão as turbinas a jato e os geradores a vapor.
Dicionário