Compilado Finas P3 - Metalurgia Mecânica

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Duas amostras de aço do tipo AISI4340 foram ensaiadas por tração e apresentaram mecanismos distintos de fratura. Uma fratura foi classificada como frágil, enquanto a outra foi classificada como dúctil. Considerando que as amostras tinham mesma composição química e mesma microestrutura, justifique a diferença de comportamento.
Sabe-se que a mudança do comportamento característico de fratura dúctil para o de fratura frágil é favorecida pelo decréscimo da temperatura, aumento da taxa de carregamento e pela presença de um estado complexo de tensões causado por um entalhe. Ou seja, uma das hipóteses para este aço exibir este tipo de comportamento é que as amostram foram ensaiadas em diferentes temperaturas. A amostra que apresentou fratura frágil muito provavelmente foi ensaiada em uma temperatura inferior a de transição dúctil-frágil, desenvolvendo fratura do tipo frágil, ao contrário daquela que desenvolveu fratura dúctil.
Um aço tipo AISI-1080 apresentou um limite de fadiga de 250MPa e um limiar de crescimento de trinca por fadiga de 10MPa.m. Defina estas grandezas e mostre como elas variam em função da tensão limite de escoamento por tração do material.
Limite de fadiga – Em um carregamento cíclico, limite de fadiga é a maior tensão para a qual não se verifica fratura do material em estudo.
Limiar de crescimento de trinca por fadiga – é definido como a maior gama de fator de intensidade de tensões (em função do tamanho de trinca e da tensão aplicada) que é incapaz de propagar trincas em um material em carregamento cíclico.
À medida que a tensão limite de escoamento do material aumenta o limite de fadiga também aumenta, ou seja, são grandezas diretamente proporcionais. A medida que a tensão limite de escoamento do material aumenta, o limiar de crescimento de trinca por fadiga decresce, ou seja, são grandezas inversamente proporcionais.
Apresente uma justificativa para se ter tamanho de grão grosseiro em uma superliga resistente a fluência.
O tamanho de grão grosseiro é uma das principais condições para que este tipo de material resista à fluência, pois caso a liga tenha tamanho de grão pequeno, há uma maior população de contornos de grão, aumentando a probabilidade de escorregamento por contornos de grão, que são fontes de nucleação de trincas.
Explicar o mecanismo principal de deformação plástica que ocorre em materiais que apresentam estrutura cristalina do tipo CFC na temperatura ambiente e em temperaturas relativamente “elevadas”.
Estruturas CFC apresentam muitos planos densos, alta simetria e 12 sistemas de deslizamentos possíveis, ou seja, existem várias alternativas para o deslizamento ocorrer. O plano de deslizamento não precisará experimentar uma grande rotação antes que a tensão cisalhante resolvida se torne suficientemente alta em outro sistema de deslizamento {111} <110>.
O aumento da temperatura aumenta o número de planos de deslizamento ativos.
O valor da tensão cisalhante resolvida para uma dada deformação de cisalhamento decresce com o aumento da temperatura.
A tensão de escoamento é apenas ligeiramente dependente da temperatura mas o expoente de encruamento diminui com o aumento da temperatura , o que acarreta um achatamento na curva tensão X deformação.
Com o aumento da temperatura a resistência à tração se torna mais dependente da temperatura do que a tensão limite de escoamento.
Explicar o efeito do emprego de temperaturas relativamente “elevadas” num material, sob um determinado nível de carregamento, em termos microestruturais.
Em temperaturas elevadas, supondo a existência de um carregamento constante, o efeito da temperatura na microestrutura leva a ocorrência de uma deformação progressiva caracterizada por forte dependência temporal (mesmo para carregamentos cuja intensidade não ultrapassa o limite de escoamento do material), conhecida como fluência e explicada no mecanismo de deformação plástica por escorregamento de contornos de grão.
As modificações estruturais decorrentes da exposição a uma temperatura elevada são:
Maior mobilidade de discordâncias – escalagem;
Ativação de novos mecanismos de deformação – mudança de sistemas de deslizamento, introdução de sistemas de deslizamento adicionais escorregamento de contornos de grão, etc.;
Estabilidade de fases – recristalização e crescimento de grãos a partir de uma estrutura deformada a frio, superenvelhecimento de uma estrutura de partículas precipitadas, etc.;
Oxidação catastrófica e penetração intergranular de óxido.
Uma vez que a temperatura e o carregamento são mantidos constantes, a variação na taxa de fluência é proveniente de mudanças na estrutura interna do material em função da deformação e do tempo.
Os principais processos de deformação a elevadas temperaturas são:
Deslizamento;
Formação de sub-grãos;
Escorregamento de contornos.
Complete a seguinte frase: “os fenômenos: fluência e superplasticidade têm em comum ______________________________________________________”. E em que situação um procedimento na fluência difere totalmente da superplasticadade?
Os fenômenos: fluência e superplasticidade têm em comum o escoamento plástico dos metais termicamente ativado através do deslizamento por movimento de discordâncias, do escorregamento de contornos de grão e do fluxo difusional. Estes fenômenos se diferem totalmente quando ocorre a maclagem, havendo a transformação martensítica induzida por tensão ou deformação.
Caracterizar as seguintes fraturas:
a) Fratura por fadiga: Presença de marcas de praia, presença de marcas características entre as origens das trincas, pontos de origem de trincas e região de ruptura final.
b) Fratura por fadiga: Marcas de praia com presença de duas regiões características, fibrosa e radial (marcas de sargento).
c) Fratura frágil à esquerda e fratura dúctil à direita (tipo taça-cone).
d) Fratura frágil: Marcas de rios (confluências) indicam os pontos de origem das trincas.
Explicar o mecanismo de fratura apresentado esquematicamente na figura abaixo:
A figura representa um modelo de propagação de trinca por ruptura de partícula e decoesão com a matriz. A seta indica o aumento da tensão.
Primeiramente ocorre a nucleação de vazios devido à ruptura (clivagem) de partículas.
Com outro aumento de tensão ocorre a ligação da trinca com vazios e surgimento de outros vazios entre partícula e matriz.
Finalmente ocorre a evolução da trinca onde esta percorre as regiões de menor energia e a ruptura da partícula e decoesão com a matriz.
Considerando que você é o engenheiro que irá indicar um material para ser trabalhado em temperaturas “elevadas”, especificar um tipo em que você tem certeza que não deformará plasticamente. Justificar a escolha.
Escolheria ligas à base de níquel. Os efeitos combinados de elevadas tensões, temperaturas e tempos melhoram muitas propriedades do material, entre elas a resistência à fluência. A resistência à fluência de um metal é tanto maior quanto maior é a sua temperatura de fusão, visto que a taxa de autodifusão é menor nos metais cuja temperatura de fusão é alta. O níquel é um elemento de liga formador de solução sólida, o que aumenta a resistência do material porque produz uma grande diminuição da energia de falha de empilhamento. Para uma alta resistência à fluência é necessária a presença de precipitados finamente dispersos. As superligas à base de níquel possuem pequenas quantidades de alumínio e titânio que se combina com a matriz para formar precipitados finos intermetálicos. O que confere a alta resistência a esses materiais é a estabilidade térmica dos precipitados ou das fases. Essas ligas são aplicadas em situações onde a estabilidade superficial é frequentemente requerida. Outras propriedades que são melhoradas são: Ductilidade, limite de escoamento, resistência à fadiga, resistência à corrosão a quente, etc.
Defina fadiga e quais os estágios do dano no material.
É o processo de mudança progressiva localizada que ocorre em um material submetido a condições que produzem tensões e deformações flutuantes em algumponto ou pontos, e que podem culminar em fendas ou fratura completa após um número suficiente de flutuações. Devida a ciclagem há mudanças subestruturais e microestruturais que causam a nucleação de danos permanentes, com isso são criadas trincas microscópicas de modo que estas propaguem e coalescem formando uma trinca dominante, gerando uma instabilidade estrutural e por consequência a fratura.
 Qual é principal alteração macroscópica decorrente de fadiga e como ela surge?
A principal alteração macroscópica decorrente de fadiga são as marcas de praia, linhas concêntricas (arcos de circunferência). Estas marcas aparecem devido a alteração de parâmetros mecânicos, mudando a velocidade de propagação da trinca, originado desníveis. Estrias de fadiga são linhas entre marcas de praia, passíveis de análise apenas no MEV.
Quais são as principais fontes de iniciação de trincas por fadiga?
1 – Devido a microconcentradores de tensões na superfície externa no material. Planos de escorregamento ao ciclarem acabam por causar perturbações, gerando concentradores de tensão, nucleando trincas (Extrusões e Intrusões).
2 – O campo de tensão de uma discordância pode interagir com o de uma inclusão gerando uma trinca.
3 – O campo de tensão de uma discordância pode interagir com o de um contorno de grão, fazendo com que este se ‘’descole’’, causando uma trinca.
 Qual a explicação para que um material sofra fratura no regime elástico?
Quando se aplica carregamento elástico a um material, há alterações estruturais/ geométricas na sua superfície externa (extrusões e intrusões), gerando assim microconcentradores de tensão, levando a nucleação de trinca e por consequência a fratura do material. Ou seja, a nível microscópico o material em sua superfície se comporta em regime plástico.
 Porque ao alterar a microestrutura de determinados materiais, há possibilidade de se aliar um alto valor de limite de fadiga com um maior limite de resistência?
A nucleação de trincas em fadiga está intimamente ligada a formação de degraus na superfície do material, com o endurecimento do mesmo há possibilidade destes se formarem diminui, trazendo ao material um maior limite de fadiga. Esse é o motivo pelo qual o valor de limite de resistência dita o valor do limite de fadiga.
O que traduz a curva de crescimento de trinca por fadiga? O parâmetro ∆Kth, pode dizer de um material?
A curva de crescimento de trinca por fadiga para ligas metálicas traduz a vida de um material, vale salientar que este advêm do gráfico de crescimento sub crítico de trinca. Este parâmetro fornece o momento em que há o aparecimento de trinca, ou seja, altos valores podem traduzir melhores comportamentos de determinado material.
De que modo uma sobrecarga durante a história de ciclagem de um material pode alterar sua vida em fadiga?
Dependendo do nível de carregamento de uma sobrecarga aplicada a um material pode-se alterar sua história em fadiga, inibindo o crescimento da trinca, e conferindo longevidade ao mesmo. Com a sobrecarga pode-se encruar o material, ou mesmo mudar a zona plástica na zona da trinca, fazendo com que esta propague de forma mais lenta no material.
Sabe-se que ao aumentar o limite de resistência de um material, seu limite de fadiga também irá aumentar. O que acontecerá com o ∆Kth? Justifique.
Este parâmetro irá diminuir. Há uma diminuição na zona plástica na ponta da trinca, criando um campo de tensões residuais na mesma, diminuindo assim esse parâmetro.
Como o tamanho de grão pode influir na propagação de uma trinca?
As trincas irão propagar de forma desenfreada caso o tamanho de grão seja pequeno, pois uma superfície mais plana não oferece obstáculos a mesma. Já em materiais com tamanho de grão grosseiro, há criação de facetas grosseiras, que seguram o crescimento da trinca.
Defina Fluência.
Deformação progressiva (dependente do tempo) de um material submetido a elevadas temperaturas, sob carga ou tensão constante.
Quais são as modificações microestruturais em um material exposto a altas temperaturas?
- Maior mobilidade de discordâncias – escalada. 
- Ativação de novos mecanismos de deformação.
- Estabilidade de fases (aparecimento de novas fases).
- Oxidação catastrófica e penetração intergranular de óxidos.
Quais são e o que acontece em cada estágio da curva de fluência?
- Estágio 1 (Transiente): Decrescimento na taxa de fluência. Alteração na subestrutura de discordâncias, dificultando o movimento das mesmas.
- Estágio 2 (Estacionário): Taxa de fluência se torna constante. Subestrutura estável de discordâncias, balanço dinâmico entre endurecimento e recuperação.
-Estágio 3: Ocorre para elevados níveis de carregamento e/ou de temperatura Desbalanceamento entre endurecimento e recuperação devido a algumas instabilidade metalúrgica – estricção localizada, corrosão, fratura intergranular e etc.
Quais são os principais processos de deformação em elevadas temperaturas?
- Deslizamento: Operação de novos sistemas de deslizamento. Bandas de deslizamento mais grossas e mais espaçadas
- Formação de subgrãos: Rearranjo de discordâncias, formando contornos de baixo ângulo e uma estrutura de subgrãos
- Escorregamento de contornos de grão: Cisalhamento que ocorre na direção do contorno de grão, promovido por elevação de temperatura e/ou diminuição da taxa de deformação.
Diferencie o trincamento w do r.
Ambas são trincas são geradas por escorregamento de contornos de grão. A trinca tipo W acontece em baixas temperaturas e altas tensões (ponto triplo), formando uma fratura transgranular, já a tipo R acontece em altas temperaturas e baixa tensões (cavitação), de modo a formar uma fratura intergranular.
O que são superligas e quais são suas principais características microestruturais?
São ligas desenvolvidas para utilização em elevadas temperaturas, usualmente baseada em elementos do grupo 8 A . Suas principais características microestruturais são: Endurecimento por solução sólida, endurecimento por precipitação e dispersão, tamanho de grão grosseiro, estabilidade de fases em altas temperaturas.
Porque há necessidade que as superligas possuam tamanho de grão grosseiro?
O tamanho de grão grosseiro é uma das condições para que este tipo de material resista a fluência, pois caso ela tenha tamanho de grão pequeno, aumenta a probabilidade de escorregamento por contorno de grão ( trinca W e R), que são fontes de nucleação de trincas.
Diferencie fratura dúctil de fratura frágil.
A fratura dúctil tem como principal fator a mobilidade de discordâncias, e caracteriza-se por um ‘’rasgamento’’ do material, acompanhado por extensiva deformação plástica. O processo de separação microestrutural do material ocorre devido à formação, crescimento e coalescência de microcavidades (dimples).
A fratura frágil tem como principal fator a ruptura de ligações, caracterizando-se por deformação plástica macroscópica ausente ou extremamente limitada. Ocorre sob tensões inferiores às tensões correspondentes ao escoamento generalizado. Propaga-se de forma instável, podendo ocorrer de duas formas: transgranular e intergranular.
Visualmente pode-se distinguir ambas de forma relativamente fácil, no caso da fratura frágil a superfície acaba por ficar brilhante ao ser iluminado por luz, cada grão fraturado irá irradiar a mesma para diversas regiões, o que não ocorre na fratura dúctil.
O gráfico mostra a influencia da temperatura no aspecto da fratura de um material (Temperatura x Tamanho da zona). Se por acaso a variável temperatura seja trocada por taxa de carregamento, como o gráfico estaria disposto?
Caso a variável temperatura seja trocada por taxa de carregamento, as curvas ficarão ao inverso (Rotação de 180`). Isto se deve ao fato de que elevar a taxa de carregamento induz ao aparecimento da fratura frágil.
Diferencie a fratura frágil transgranular da intergranular.
A fratura frágil na forma transgranular, tem como característica a separação direta em planos cristalográficos preferenciais, associada a baixa energia de fratura, e está intimamenteligada a presença de inclusões no material. Dentre as evidências da fratura frágil transgranular, se destacam as marcas de rio (inclinação de planos) e as marcas de sargento (torção de planos).
Já a fratura intergranular, que é o pior dos casos, se associa a fragilização localizada em contornos de grão devido a tratamentos térmicos, temperatura elevada e/ou presença de meio agressivo. Comparada a fratura frágil ela gasta menos energia ainda para acontecer.
Porque o corpo de prova para mecânica de fratura tem a presença do entalhe?
Pois o entalhe representa ao corpo de prova uma trinca, e como a mecânica de fratura é baseada na existência da mesma, é de extrema importância a presença do entalhe. Vale ainda salientar que a geometria desse entalhe altera o comportamento do material.
Interprete o gráfico abaixo:
É um gráfico em que um parâmetro de mecânica de fratura(J) é ‘’comparado’’ ao crescimento de trinca. Esse parâmetro diz qual a energia que deve ser dado ao material para ele fraturar, ou seja, através desse gráfico pode-se determinar a energia necessária que deve ser dada ao material para que a trinca cresça até romper o material. Pode-se ainda perceber que a media que há um embotamento da trinca, mudança na região plástica da trinca, a energia necessária para o crescimento da mesma aumenta muito, ou seja, o embotamento da trinca faz com que a vida do material aumente.
Porque pra determinados matérias há necessidade de se utilizar a mecânica de fratura biparametrica?
Em alguns casos, ao aplicar-se esforço no material todo ele irá se deformar, não só a ponta da trinca. Para estas situações a mecânica de fratura necessita de uma adaptação, um fator de correção (Q), o que é chamado de mecânica da fratura biparamétrica.
Sob o ponto de vista da mecânica de fratura, como se comporta um material soldado?
Quando é analisado um material que possui solda a análise se torna diferente, pois não se trata mais de um material com microestrutura homogênea. De acordo com a solda, altera-se a ponta da trinca, mudando assim a tenacidade a fratura do material.
TRECHOS IMPORTANTES DOS SLIDES