CM I - Falhas (Fratura, Fadiga e Fluência)

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Campus da Universidade Federal do Cariri – UFCA 
Engenharia de Materiais 
Campus de Juazeiro do Norte 
Falha (fratura, fadiga 
e fluência) 
Profa.: Laédna Neiva 
Introdução 
 
Fratura 
 Fundamentos da Fratura. Fratura Dúctil. Fratura Frágil. Ensaios de 
Fratura por Impacto. 
Fadiga 
 Iniciação e Propagação de Trincas. Fatores que Influenciam a Vida em 
Fadiga. Efeitos do Ambiente. 
Fluência 
 Comportamento Geral da Fluência. Efeitos da Tensão e da 
Temperatura. Métodos para Extrapolação de Dados. 
Conteúdo Programático 
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 de falhas são as seguintes: 
 
 (i) seleção e processamento de materiais de maneira 
inadequada; 
 (ii) projeto inadequado da peça ou a sua má utilização. 
 
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! 
Ensaios de Fratura por Impacto 
Fratura 
Fratura 
Realização do ensaio de Impacto 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 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 
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 uma estrutura de concreto. 
Definições Importantes: 
 
 
(i) Limite de Fadiga; 
(ii) Um ciclo; 
(iii) Tensão cíclica. 
Fadiga 
Processo Completo de Falha por Fadiga: 
 
 
(i) Iniciação da trinca; 
(ii) Propagação da trinca; 
(iii) Fratura Final. 
Fadiga 
Quantidade Total de Ciclos até a Fratura 
Fadiga 
Onde: N = quantidade total de ciclos até a fratura. 
 Ni = número de ciclos para a iniciação da trinca. 
 Np = número de ciclos para a propagação da trinca. 
Iniciação e Propagação de Trincas 
Fadiga 
Fadiga 
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga? 
Presença de 
duas zonas: uma 
lisa e outra 
rugosa. 
Fadiga 
Como identificar uma ruptura causada por 
fadiga? 
Aspectos de zonas lisa e rugosa em superfície de falha por fadiga. 
Fadiga 
Distância média 
entre as estrias de 
1μm/ciclo. 
Estrias de fadiga vistas por MEV. 
Superfície de falha por fadiga. 
Estrias de fadiga. 
Fadiga 
Superfície de falha por fadiga. 
Superfície de falha por fadiga. 
Fadiga 
Estrias de fadiga em liga de 
alumínio fundida. 
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga: 
 
 
(i) Nível Médio da Tensão (Tensão Média). 
(ii) Efeitos de Superfície. 
(iii) Projeto Geométrico. 
(iv) Variáveis Metalúrgicas. 
Fadiga 
Efeitos do Ambiente 
 
 
 (i) Fadiga Térmica. 
 (ii) Fadiga por Corrosão. 
Fadiga 
Efeitos do Ambiente 
 
 (i) Fadiga Térmica. 
Fadiga 
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 do Corpo de Prova 
 
Fadiga 
Procedimentos para prevenção de Falha por Fadiga: 
 
Efeito da forma do Corpo de Prova 
 
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) 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 
(A). 
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 FadigaÉ sempre preferível ensaiar a própria peça. 
Ensaio de fadiga realizado nos apóia-
braços e assento de cadeiras. 
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: 
 
Fadiga 
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga 
 
 
 
Fadiga 
Amostras de Peças com Falhas por Fadiga 
 
 
 
Definição: 
Fluência 
 É uma deformação apresentada por um 
material ocasionada pela combinação de 
dois fatores: tensão mecânica estática e 
temperatura elevada. 
Características da Fluência: 
 
(i) É, em geral, um evento indesejável. 
(ii) É observada em todos os tipos de materiais. 
(iii) Os polímeros amorfos e as borrachas são 
especialmente vulneráveis a essa 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 
 
 
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 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: C é uma constante (geralmente da ordem de 20). 
 T é a temperatura absoluta. 
 tr é o tempo de vida, em horas. 
Fluência 
 Exercício de Fixação 
 
 Usando os dados de Larson-Miller para o ferro 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).