Materiais Ducteis e Frageis

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Materiais dúcteis X frágeis
Resistência dos Materiais
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OBJETIVO 
Porque falham os materias?
Projeto inadequado;
Fratura dúctil X frágil.
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Fratura
Definição:
É a separação de um corpo em duas partes devido à uma tensão aplicada, a temperaturas abaixo do ponto de fusão.
Etapas da fratura:
Nucleação
propagação
Dois modos de fratura: dúctil e frágil  
depende da habilidade do material em absorver energia até a ruptura ou experimentar uma deformação plástica.
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Fratura 
Fratura taça-cone no Al
Fratura frágil: aço médio C
Metais dúteis na ruptura (ouro, chumbo)
Metais, polímeros,
vidros inorgânicos a altas T.
A
B
C
B é o mais comum.
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Fratura
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Ocorre, normalmente de maneira dúctil	há um aviso do material 						antes do rompimento
A fratura pode ocorrer de maneira dúctil por:
		- transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone)
		- intergranular (presença de vazios nos contornos de grão)
		- cisalhamento
		- formação de um pescoço (deformação plástica)
Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas):
		
		- clivagem 
		- intergranular
Materiais metálicos
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Grupo de fadiga e materiais aeronáuticos
 Fratura
Diferenciada para cada tipo de material
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Fratura taça-cone
Pescoço
microcavidades
Trincas coalescendo
Propagação de trincas
Fratura final por cisalhamento Fibras arrancadas indicando deformação plástica.
Carregamento-Tração
Carregamento-Cisalhamento
Dimples esféricos
centro
Dimples
Parabólicos
borda
Grupo de fadiga e materiais aeronáuticos
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Fratura
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Dúctil: extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando
Frágil: ocorre sem qualquer deformação apreciável através de uma rápida propagação da trinca
Fractografias: fornecem informações como modalidade da fratura, estado de tensão e ponto de início da trinca
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Fratura
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Transgranular
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Fratura
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Intergranular
10
Fratura
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Superfície de fratura por clivagem de aço carbono em uma válvula de alívio de emergência. A fratura foi atribuída à corrosão sob tensão (~250X)
Materiais metálicos
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Microestrutura de um aço inoxidável: corrosão no contorno de grão provocando a fratura intergranular pelo excesso da temperatura no tratamento térmico em aço inoxidável 316L.
Fratura
Materiais metálicos
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Marcas de sargento em forma de V
Origem da trinca
Superfície de Fratura Frágil
Origem da trinca
Nervuras radiais em formato de leque 
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Ensaio de Impacto
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Causa: aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão
2500 unidades
150 falharam no porto
300 falhas sérias
Aumento T trans região solda
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- Influenciado:
	- ENTALHE 
	- TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
	
Impacto
Ensaios:
 Charpy
 Izod
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	TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
		Temperatura característica onde ocorre a transição dúctil-		frágil dos materiais
	  Baixas temperaturas trinca se propaga mais velozmente que 				 os mecanismos de deformação plástica			
					pouca energia é absorvida
	  Temperaturas elevadas	fratura é precedida de uma 						deformação que consome energia
	  Mudança brusca no comportamento característico de metais 	 CCC
	  Temperatura de transição varia com a taxa de carregamento
Impacto
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Impacto
Al e Cu
Mais dúctil
Mais Frágil
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Impacto
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Ensaio de Dureza
Definição
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ESCALA DE DUREZA BRINELL (HB)
“Consiste em comprimir lentamente uma esfera de aço temperado, de diâmetro D, sobre uma superfície plana, polida e limpa de um metal, por meio de uma carga F, durante um tempo t, produzindo uma calota esférica de diâmetro d.
VANTAGENS DO ENSAIO BRINELL:
 é usado especialmente para avaliação de dureza de metais não ferrosos, ferro fundido, aço, produtos siderúrgicos em geral e de peças não temperadas;
 É o único ensaio utilizado e aceito para ensaios em metais que não tenham estrutura interna uniforme (materiais heterogêneos);
 É feito em equipamento de fácil operação.
DESVANTAGENS
O uso deste ensaio é limitado pela esfera empregada. Usando-se esferas de aço temperado só é possível medir dureza até 500 HB, pois durezas maiores danificariam a esfera.
ESCALA DE DUREZA ROCKWELL (HR)
É a mais utilizada internacionalmente
Norma Brasileira + usada: NBR-6671
Norma americana + usada: ASTM E18-94
		PRÉ-CARGA	CARGA
	Rockwell Comum	10 Kgf	60 Kgf
100 Kgf
150 Kgf
	Rockwell Superficial	3 Kgf	15 Kgf
30 Kgf
45 Kgf
Vantagens do Método Rockwell:
•As superfícies não necessitam de polimento;
•Pequenas irregularidades são eliminadas pela pré-carga;
•Não necessita de sistema óptico;
•Equipamento mais simples.
Desvantagens:
•Escala C só para aços temperados;
•Necessidade de usar muitas escalas e esferas diferentes para abranger toda a gama de materiais possíveis.
ESCALA DE DUREZA VICKERS (HV)
Características:
•Utiliza um penetradorde diamante, o que torna o ensaio aplicável a todos os tipos de materiais;
•A área da impressão é proporcional à força aplicada, o que torna o ensaio insensível à força aplicada.
Vantagens:
Escala contínua de dureza
Impressões de dureza extremamente pequenas
Deformação nula do indentador
Aplicação para qualquer espessura
Relação com a resistência à tração
Desvantagens
Necessidade de preparação cuidadosa da superfície
Processo lento
Sujeito a erros do operador
Dureza
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Exemplo 1
Qual o material de maior dureza?
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Fadiga
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É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas 
Falha com tensões muito inferiores à tensão de escoamento
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 uma imperfeição estrutural ou de composição e/ou um ponto concentrador de tensões (que ocorre geralmente na superfície)
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 as tensões cíclicas aplicadas
 podem ser:		- axiais
			- de flexão 
			- de torção
 modos de flutuação de tensão:		
Variação da tensão com o tempo
(a) tensões contrárias
(b) tensões repetidas 
(c) tensões aleatórias
ENSAIO PARA DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA À FADIGA
Fadiga
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Fadiga
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Curva S x N de um aço comum ao carbono (com limite de fadiga) e de um alumínio (sem limite de fadiga).
	CURVA TÍPICA DE FADIGA S - N
Fadiga
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	1. Nucleação da trinca: início por deterioração por fadiga
		 nucleação da trinca ocorre pois a deformação plástica 		não é um processo reversível 
		
	PRINCIPAIS ALTERAÇÕES ESTRUTURAIS QUE OCORREM EM UM 	METAL DÚCTIL DURANTE A FADIGA
Fadiga
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	2. Crescimento de bandas e deslizamento de fadiga:
		 a deformação plástica em uma direção alterna-se com a 				deformação plástica na direção contrária, surgem sulcos (extrusões e 			intrusões de deslizamento) e bandas de deslizamento persistentes
		  irregularidades superficiais e bandas de 						deslizamento originam trincas na superfície, que se 					propagam para o interior do corpo-de-prova
			
				Fase I do crescimento 	velocidade de 
					de trinca		crescimento 
							muito baixa
							 (10-10 m/ciclo)

Fadiga
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	3. Crescimento da trinca em planos com tensão de tração elevada:
		 na fase I, em um metal policristalino, a trinca cresce 			alguns diâmetros de grão, após toma a direção 				perpendicular à tensão de tração máxima aplicada
		  ocorre a propagação de uma trinca bem definida com 			velocidade elevada (ordem de m), surgindo estrias com o 			avanço da trinca
		 as estrias são úteis para a origem e a direção da 				propagação das trincas
	 Fase II do crescimento de trinca 		velocidade de crescimento 							elevada
	4. Fratura final
		 trinca percorreu uma área suficiente e o material não 		consegue suportar a carga aplicada, ocorre a fratura
		
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Mecanismo de formação de estria
Como estas tensõesresiduais de compressão normalmente são maiores que o limite de escoamento do material deformam a ponta da trinca formando as estrias 
Após propagação estável entra-se no estágio II, a taxa de extensão da trinca aumenta e passa a ser per pendicular à aplicação da carga. 
processo repetitivo de abaulamento plástico e afilamento na ponta da trinca
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FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA
1. Concentração de tensão: a resistência à fadiga é reduzida por concentradores de tensão como: entalhes; irregularidades; poros. Portanto, quanto mais lisa (menos rugosa) for a superfície da amostra maior a resistência à fadiga
como a fratura inicia-se na superfície do material, qualquer alteração na superfície do material afeta a resistência à fadiga
2. Ambiente: o ataque ou interações de natureza químico acelera a velocidade com que a trinca de fadiga se propaga: UMIDADE para cerâmicos 
Superfície de um corpo cerâmico, salientando-se defeitos.
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FATORES QUE AFETAM A RESISTÊNCIA À FADIGA
3. Tratamentos na superfície: a resistência à fadiga pode ser influencia após tratamentos na superfície
 		 Cromo				 Cromo + Ni
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Fadiga
Estrias(nível microscópico)	 Marcas de praia (nível macroscópico)
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Grupo de fadiga e materiais aeronáuticos
Fadiga – Flexão rotativa
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Fluência
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Fluência
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min
max
s
s
s
-
=
i
2
min
s
s
s
+
=
máx
m
max
min
s
s
=
R
2
2
min
max
s
s
s
s
-
=
=
i
a