Mecanismos de Deformação e Fratura

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA 
CENTRO TECNOLÓGICO – CTC 
 
Amanda Carla da Cunha 
 
 
ENSAIO DE IMPACTO​ ​E 
ENSAIO K​IC 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis, 2018 
RESUMO 
Este trabalho tem o objetivo de descrever o ensaio K​IC ​e o ensaio de impacto, 
com a finalidade de comparar os mesmos, apontando as suas vantagens e 
desvantagens. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis, 2018 
SUMÁRIO 
 
1. INTRODUÇÃO………………………………………………………...4 
1.1. ​ ENSAIO DE IMPACTO………………………………………….4 
 1.1.2. ​ TESTE DE CHARPY……………………………………….4 
1.2.​ ENSAIO K ​IC​……………………………………………………....5 
 ​1.2.1. ​PROCEDIMENTOS………………………………………...6 
2. ENSAIO DE IMPACTO vs ENSAIO K​IC​……………………………...8 
3. CONCLUSÃO…………………………………………………………..9 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis, 2018 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
1.1. Ensaio de impacto 
 
O ensaio de impacto é um teste dinâmico e muito usado no estudo das 
fraturas frágeis. Tem como principal aplicação o teste em materiais utilizados em 
baixa temperatura e análise da tendência de um metal se comportar de maneira 
frágil [1]. 
No ensaio de impacto, o corpo de prova é submetido a um choque por meio 
de um martelo pendular (figura 1). Dessa forma, após a colisão, calcula-se a energia 
que o corpo absorve , para que ocorra a deformação e rompimento, por meio da 
diferença de altura do martelo antes e depois de atingir o corpo de prova e 
multiplicada pelo peso do martelo, de acordo com Souza. 
Em geral, nos ensaios de impacto os corpos de prova possuem um entalhe, 
com o objetivo de concentrar tensões, localizando a ruptura. Porém vale ressaltar 
que, uma vez que esse entalhe facilita a ruptura, este ensaio torna-se limitado em 
termos significativos, tendo como principal utilidade a comparação dos materiais 
ensaiados. 
 
1.1.2. Teste de Charpy 
 
O teste de impacto do tipo Charpy os corpos de prova possuem entalhes na 
face oposta a que será atingida pelo martelo. Existem três tipos de entalhe para 
essa configuração do teste de impacto: o entalhe de tipo A, que se trata de um 
entalhe triangular com 2 mm de profundidade e ângulo de 45°, o entalhe de tipo B 
(keyhole), com forma circular, com 5 mm de profundidade e o entalhe do tipo C, com 
forma de semicírculo com 5 mm de profundidade.(figura 2). Os corpos de prova, 
independentemente do entalhe possuem 10 mm de altura, 10 mm de espessura e 
55 mm de comprimento. 
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Além disso, no ensaio de Charpy, os corpos de prova são bi-apoiados nos 
suportes, ao contrário da configuração Izod, que a peça é presa apenas de um lado, 
como mostra na figura 1. 
Esse ensaio tem como vantagem ser simples e com corpos de provas 
pequenos e baratos, podendo servir de forma eficiente como forma de controle de 
qualidade. 
 
1.2. Ensaio ​K​IC 
 
O ensaio ​K​Ic​, ​é também conhecido como ensaio de tenacidade à fratura, que 
por definição, segundo Callister, é uma propriedade que mede a resistência de um 
material até obter uma fratura frágil quando tiver uma trinca presente. Através da 
trinca que ocorre o fenômeno de concentração de tensões, denominado de ​K​t, ​que 
se define quando aplicada uma tensão em um corpo, mesmo sua magnitude sendo 
menor que a tenacidade teórica do material, e este corpo possuir uma trinca 
semelhante a uma elipse que atravessa uma placa e a sua orientação é 
perpendicular à direção da tensão aplicada, essa tensão poderá elevar a magnitude 
na ponta da fenda [2]. 
A tensão máxima na extremidade da trinca pode ser definida 
aproximadamente pela expressão: 
 
 ​ σ​m​= 2σ​0​ ( / ρ​t​)​1/2​ ​ ​(1)a 
Onde: 
σ​0 ​= magnitude da tensão de tração nominal aplicada; 
ρ​t ​= raio de curvatura da extremidade da trinca; 
= comprimento de uma trinca superficial ou metade do comprimento dea 
uma trinca interna; 
 
Já o fator de concentração de tensões (​K​t​) é definido pela expressão: 
 
 ​ ​K​t​ = σ​m​ / σ​0​ = 2 ( / ρ​t​)​½ ​ ​ ​(2)a 
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Ocorrerá fratura quando, a partir de uma trinca já existente, as tensões 
aplicadas na extremidade da trinca ultrapassarem os valores críticos. Este valor 
crítico do grau de intensidade da tensão é a chamada tenacidade à fratura, 
representada por ​K ​Ic​, definida pela expressão: 
 
 ​K​Ic​ = ​Y​σ (3)a √π 
 
Onde: 
Y ​= ​parâmetro adimensional que depende das geometrias da fenda e do 
corpo em questão; 
σ = ​ ​tensão aplicada na trinca; 
= comprimento de uma trinca superficial ou metade do comprimento dea 
uma trinca interna; 
 
A tenacidade à fratura, em um contexto geral, tem o objetivo de prevenir 
contra falhas catastróficas. Materiais frágeis possuem baixos valores de ​K​Ic​, o que 
significa dizer que eles são mais propensos a sofrer estas falhas. Oposto a isso, os 
materiais dúcteis possuem maiores valores de ​K ​Ic​, já que antes de fraturar ocorre 
uma deformação plástica, dando um aviso prévio, evitando falhas catastróficas. 
 
1.2.1 Procedimentos 
 
No ensaio ​K ​Ic o material, que possui uma trinca pré existente por fadiga, sofre 
um carregamento (flexão ou tração) para obter um crescimento estável ou instável 
da trinca. No crescimento instável, tem-se um único ponto que representa a 
tenacidade à fratura do material, determinada na instabilidade. Já no crescimento 
estável tem-se uma curva contínua de variação da tenacidade com a extensão da 
trinca. 
Os corpos de prova mais utilizados são os SE(B) (figura 3) e o C(T) (figura 4), 
o primeiro é solicitado por flexão em três pontos, já o segundo é solicitado por 
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tração. A preparação dos corpos de prova se inicia com a obtenção de uma trinca 
por fadiga. 
“De acordo com a norma ASTM E399, recomenda-se que o valor máximo do 
fator de intensificação de tensão não deve ultrapassar 80% do valor estimado para 
K​Ic durante o início da propagação da trinca. Quando a trinca atingir 97,5% do seu 
comprimento final a máxima carga de fadiga deverá ser reduzida. O valor final de 
K​máx​ ​não deve exceder 60% do valor estimado para ​K​Ic​.​” [3] 
A carga máxima e a carga mínima de fadiga podem ser selecionadas em 
função da razão de carga, desde que atenda a seguinte relação: 
 
 (4),− 1 ≤ R = P minP máx =
K(f )min
K(f )máx < 0 1 
Onde: 
= razão de carga;R 
= carga mínima de fadiga;minP 
= carga máxima de fadiga;máxP 
= fator de intensidade de tensão mínimo;(f )minK 
= fator de intensidade de tensão máximo;(f )máxK 
 
A partir disso determinamos a carga P​Q​,correspondente ao acréscimo de 2% 
da trinca. Com o gráfico (figura 5), traça-se uma secante partindo da origem com 
inclinação de 5% em relação à inclinação da curva carga-deslocamento. Após isto 
analisamos as cargas, se todas as cargas antes da interseção forem menores que 
P​S​, logo ​P​Q = ​P​S​. Entretanto, se existirem cargas maiores antes da interseção, logo 
P​Q​ = ​P​máx​, de acordo com o prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria [4]. 
A partir da carga ​P ​Q determina-se ​K​Q (valor condicional para tenacidade) com 
as seguintes expressões: 
 
● Corpo de prova de Flexão: (5)(i) (a /W ) K = [ P iS(BB ) W N 1/2 1/2 ] f i 
● Corpo de prova de Tração: (6)K(i) f (a /W ) = P i
(BB W ) N
1/2 i 
 
Para ​K​Q​ ser considerado igual a ​K​Ic ​deve-se atender os seguintes requisitos: 
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 (7), , P máx , .P B a ≥ 2 5( σ ysKQ) 2 ≤ 1 1 Q 
 
“O valor da tenacidade à fratura em deformação plana significa a resistência à 
propagação de trinca em condições severas de triaxialidade de tensões com níveis 
de crescimento de trinca de 2%, para o caso de pequenas deformações plásticas.” - 
- Prof. Dr. Geraldo Lúcio de Faria. 
 
2. ENSAIO DE IMPACTO vs ENSAIO ​K​Ic 
 
Os ensaios de impacto e ​K​Ic ​têm o objetivo de determinar as propriedades à 
fratura dos materiais. O ensaio ​K​Ic ​é utilizado para fins de projeto por serem de 
natureza quantitativas. Já o ensaio de impacto se restringem a comparação dos 
materiais ensaiados nas mesmas condições, sendo assim, possuem uma natureza 
qualitativa. 
O ensaio ​K ​Ic ​é mais caro comparado ao ensaio de impacto, devido aos seu 
equipamentos e aos seu corpos de provas mais complexos para serem produzidos 
[5]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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3. CONCLUSÃO 
 
Através dos ensaios descritos acima, conclui-se que ambos possuem os 
mesmos objetivos, que são obter as propriedades de tenacidade à fratura do 
material, além de medir sua resistência até romper fragilmente. 
Entretanto, os ensaios possuem aplicações diferentes. Enquanto o ensaio ​K​Ic 
é utilizado para fins de projetos, o ensaio de impacto é utilizado para fins 
comparativos dos materiais ensaiados nas mesmas condições. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Florianópolis, 2018 
 
REFERÊNCIAS 
 
[1] ​SOUZA, S. A; Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos; 5° Edição; Editora 
Edgard Blucher, 1982. 
[2] CALLISTER. W. Introdução a Ciência e Engenharia dos Materiais; 9ª Edição; 
Editora LTC. 
[3] ​Slides de Ensaio K​Ic​; Ariel Sobral. 
[4] ​Slides de Ensaios Mecânicos dos Materiais - Capítulo 9 - Tenacidade à Fratura; 
Universidade Federal de Ouro Preto. 
[5] ​Slides de Mecanismos de Deformação e Fratura - Falhas; Prof. Bruno Henriques 
- Núcleo de Pesquisa em Materiais Cerâmicos e Compósitos CERMAT/UFSC. 
 
ANEXOS 
 
 
Figura 1 - Esquema movimento do martelo - Ensaio de Charpy - Callister (9 Ed) - Pág. 245. [2] 
 
Florianópolis, 2018 
 
Figura 2 - Corpos de prova de Charpy e Izod recomendados pela ASTM e ABNT para ensaio de impacto 
e local de impacto do martelo - SOUZA (1982) - Pág. 84. [1] 
 
 
 
Figura 3 - Corpo de prova ensaio ​K​Ic ​do tipo SE(B) - [4] 
 
Florianópolis, 2018 
 
Figura 4 - Corpos de prova ensaio ​K​Ic ​do tipo C(T) - [4] 
 
 
 
Figura 5 - Gráfico carga-deslocamento para o ensaio de tenacidade à fratura (ASTM E399) - [4] 
Florianópolis, 2018