Aula 9 - Falha

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UFR
Disciplina: Ciência dos Materiais
1°Semestre de 2019
Professora: Dra. Vanessa Motta Chad
E-mail: vanessamotta@ufmt.br
FALHA
➢ A falha dos materiais de engenharia é quase sempre um evento
indesejável devido a fatores como:
→ Risco e perda de vidas humanas;
→ Perdas econômicas;
→ Interferência com a disponibilidade de produtos e de serviços.
➢ As causas usuais de falhas são:
→ Seleção e processamento inadequado dos materiais;
→ Projeto inadequado do componente;
→ Negligência durante: o projeto, a construção ou a operação do
equipamento (mau uso);
→ Aplicação de um novo projeto, ou de um novo material, que vem a
produzir resultados inesperados (e indesejáveis).
FALHA
EXEMPLO DE FALHA EM PROJETO
➢ A Fiat foi intimada pelo Ministério da Justiça a pagar uma multa de
3 milhões de reais e a fazer o recall de aproximadamente 52.000 carros
do modelo Stilo.
➢ Problema: O cubo da roda traseira se quebra, devido ao esforço na
ponta do eixo, fazendo com que a roda solte, causando acidentes e riscos
de morte.
Fonte: Revista Quatro Rodas
➢Avaliação do CESVI (Centro de Experimentação e Segurança
Viária): “O problema é causado pela baixa resistência à fratura do ferro
fundido, que é reconhecidamente mais frágil e possui pouca capacidade
de deformação plástica. Uma fratura poderia ocorrer com pequenos
esforços acima das especificações ou mesmo sem qualquer esforço
adicional fora das especificações.”
➢ Motivo: troca do material do cubo da roda, que era de aço e passou a
ser fabricado de ferro fundido sem que houvesse o redimensionamento da
peça.
➢ Solução: substituição do cubo da roda traseira por outro fabricado com
aço.
EXEMPLO DE FALHA EM PROJETO
FUNDAMENTOS DA FRATURA
➢Por que estudar falhas?
→ Para entender os mecanismos dos diferentes modos de falha em
serviço de componentes mecânicos ou de estruturas. Por exemplo falha
por fadiga ou por fluência;
→ Para a prevenção de falhas em serviço;
→ Para que o engenheiro se antecipe, planeje a troca de componentes
das máquinas antes de ocorrer possíveis falhas;
→ Para avaliar a causa da falha e tomar medidas preventivas
apropriadas contra incidentes futuros.
➢ Fratura: consiste na separação de um corpo em duas ou mais partes
em resposta a uma tensão imposta.
➢ A tensão aplicada pode ser de tração, compressão, cisalhamento ou
torcional.
➢ Qualquer processo de fratura envolve duas etapas, a formação e a
propagação de trincas, em resposta à imposição de uma tensão.
➢ Para materiais metálicos são possíveis dois modos de fratura: dúctil e
frágil.
→ A classificação está baseada na habilidade de um material
experimentar uma deformação plástica antes de fraturar.
FUNDAMENTOS DA FRATURA
➢ A fratura frágil:
→ As trincas podem se espalhar de maneira extremamente rápida,
com o acompanhamento de pouca ou nenhuma deformação plástica.
→ Tais trincas podem ser chamadas de instáveis, e a propagação da
trinca, uma vez iniciada, irá continuar espontaneamente sem um
aumento na magnitude da tensão aplicada.
➢ A fratura dúctil:
→ Apresenta extensa deformação plástica na vizinhança de uma
trinca que está avançando.
→ O processo prossegue de maneira relativamente lenta à medida
que o comprimento da trinca se estende.
→ Esse tipo de trinca é frequentemente chamado de estável. Isto é,
ela resiste a qualquer extensão adicional a menos que exista um
aumento na tensão, causando uma deformação apreciável nas
superfícies da fratura.
FUNDAMENTOS DA FRATURA
➢ As superfícies de fratura irão possuir características distintas, tanto no
nível macroscópico quanto no nível microscópico.
Fratura altamente dúctil na qual 
a amostra empescoça até uma 
fratura pontual, apresentando 
virtualmente uma redução de 
100% na área.
Exemplo: ouro puro em 
temperatura ambiente
Fratura moderadamente 
dúctil após algum 
empescoçamento.
Tipo mais comum de 
fratura para materiais 
dúcteis.
Exemplo: aço ABNT 1020 
Fratura frágil sem 
qualquer deformação 
plástica.
Exemplo: ferro 
fundido
FUNDAMENTOS DA FRATURA
➢ Fratura dúctil
➢ Comportamento típico da curva tensão-deformação até a fratura
de um material dúctil:
Fratura
u
Estricção
Deformação ()
T
en
sã
o
 (

)
e
 = 0,2%
FRATURA DÚCTIL
➢ A fratura dúctil é quase sempre preferível por dois motivos:
1 – A fratura frágil ocorre repentinamente e catastroficamente, sem
qualquer aviso, é uma consequência da espontânea e rápida propagação
de uma trinca.
→ No caso da fratura dúctil, a presença de deformação plástica dá
um alerta de que a fratura é iminente, permitindo que medidas
preventivas sejam tomadas.
2 – Mais energia de deformação é exigida para induzir uma fratura dúctil,
uma vez que materiais dúcteis são geralmente mais tenazes. (A
tenacidade é a capacidade do material armazenar energia sem se
romper. É indicada pela área total sob a curva tensão-deformação em
tração para o material).
FRATURA DÚCTIL
FRATURA DÚCTIL – ESTÁGIOS DA FRATURA TAÇA E CONE
(a) Empescoçamento 
inicial
(c) Coalescência
(junção) de 
cavidades para 
formar uma trinca
(b) Pequena 
formação de 
cavidade
➢ A fratura taça e cone é característica de materiais que sofreram fratura
dúctil.
(d) Propagação 
da trinca
(e) Fratura final por cisalhamento
Fratura do tipo taça e 
cone no alumínio
Cisalhamento
Fribroso
FRATURA DÚCTIL – ESTÁGIOS DA FRATURA TAÇA E CONE
➢ Exemplo: Aço ABNT 1020 submetido ao ensaio de tração.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
0
100
200
300
400
500
600
700

 (
M
P
a
)
 (%)
FRATURA DÚCTIL – ESTÁGIOS DA FRATURA TAÇA E CONE
Fractografia mostrando microcavidades 
esféricas (dimples) características de uma 
fratura dúctil que resulta de cargas de tração 
uniaxiais (MEV).
Fractografia mostrando 
microcavidades em formato 
parabólico características de uma 
fratura dúctil que resulta da 
aplicação de uma carga 
cisalhamento (MEV).
FRATURA DÚCTIL – ESTÁGIOS DA FRATURA TAÇA E CONE
FRATURA FRÁGIL
➢ Fratura frágil
➢ A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e através de
uma rápida propagação de uma trinca.
➢ A direção do movimento da trinca está muito próxima de ser
perpendicular à direção da tensão de tração aplicada e produz uma
superfície de fratura relativamente plana.
➢ Pouca ou nenhuma deformação plástica existe na fratura frágil.
➢ Mesmo materiais que são normalmente dúcteis podem fraturar de
modo frágil em baixas temperaturas com elevadas taxas de deformação
(como no caso do impacto), ou quando há grandes trincas superficiais.
FRATURA FRÁGIL
➢ Exemplo: Ferro fundido submetido ao ensaio de tração.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0
50
100
150
200
250
300

 (
M
P
a
)
 (%)
FRATURA FRÁGIL
Diagrama esquemático mostrando a 
propagação de uma trinca ao longo 
do contorno de grão em um fratura 
intergranular.
➢ Fratura intergranular (ao longo dos contornos de grão): Quando há
inclusões nos contornos dos grãos, por exemplo, a trinca propaga-se ao
longo dos contornos, pois apresentam menor resistência mecânica.
Fractografia de um aço inoxidável 
304 mostrando uma superfície de 
fratura intergranular.
4 mm
Contornos de 
grãos
Caminho de 
propagação da trinca
➢ Fratura transgranular (as trincas passam através dos grãos): a
propagação da trinca corresponde à clivagem, ou seja, a quebra sucessiva
e repetida de ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos
específicos.
160mm
Fractografia de um aço inoxidável 
316 mostrando uma superfície de 
fratura transgranular.
Grãos
Caminho de 
propagação da 
trinca
Diagrama esquemático mostrando a 
propagação de uma trinca no interior 
dos grãos em uma fratura 
transgranular.
FRATURA FRÁGIL
FRATURA FRÁGIL
➢ Uma característica comum na fratura frágil é o padrão em V, produzido
por frentes separadas de trincas que se propagam no material.
Figura mostrando padrão em V de uma fratura frágil. 
As setas indicam a origem da trinca. 
➢ Algumas superfícies de fratura frágil contêm linhas ou nervurasque se
irradiam a partir do ponto de origem da trinca de acordo com um padrão em
forma de leque .
Imagem de uma superfície de fratura frágil mostrando nervuras radiais em 
formato de leque. As setas indicam a origem da trinca. 
Origem
Direção de 
propagação da 
trinca
FRATURA FRÁGIL
CONCENTRADORES DE TENSÃO
➢ Concentradores de tensão: são irregularidades que perturbam o campo
de tensão de um componente, amplificando o mesmo em suas
proximidades.
➢ Podem ser defeitos microscópicos ou defeitos macroscópicos, como
vazios, riscos, entalhes, cantos vivos, mudanças bruscas de seção.
Distribuição de 
tensão normal
Exemplos de concentradores de tensão
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
Um navio-tanque de óleo que fraturou de uma maneira 
frágil pela propagação de trincas ao redor do seu casco.
➢ Durante a Segunda Guerra Mundial, vários navios distantes do
combate, repentinamente e abruptamente se partiram ao meio.
➢ Os navios eram construídos a partir de uma liga de aço que possuía
ductilidade adequada de acordo com ensaios de tração à temperatura
ambiente.
➢ As fraturas frágeis ocorreram em temperatura ambiente relativamente
baixa, de aproximadamente 4°C, na vizinhança da temperatura de
transição da liga.
➢ Cada trinca de fratura teve sua origem em algum ponto de
concentração de tensões, como defeitos de fabricação, e então se
propagou ao redor de todo o casco do navio.
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ Ensaio de fratura por impacto
➢ As condições do ensaio de impacto são escolhidas para representar
aquelas condições mais severas em relação ao potencial de ocorrência de
uma fratura:
→ Deformação a uma temperatura relativamente baixa;
→ Uma elevada taxa de deformação.
➢ Os ensaios de fratura por impacto são padronizados:
→ Norma ASTM E23 – Standard Test Methods for Notched Bar
Impact Testing of Metallic Materials (Métodos Padrões de Ensaio para
Testes de Impacto em Barras com Entalhe de Materiais Metálicos).
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ As técnicas Charpy e Izod, medem a energia de impacto.
➢ A diferença principal entre as técnicas Charpy e Izod está na maneira
como o corpo de prova é sustentado.
➢ Esses testes são denominados ensaios de impacto, com base na
maneira como é feita a aplicação da carga.
➢ Tanto na técnica Charpy como na técnica Izod, o corpo de prova possui
o formato de uma barra com seção reta quadrada, na qual é usinado um
entalhe com formato em V.
Técnicas de ensaio por impacto
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
Corpos de prova utilizados em ensaios de impacto 
Charpy e Izod
Entalhe
Izod
Charpy
Entalhe
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ Descrição do ensaio Charpy:
→ No equipamento para realização dos ensaios de impacto, a carga é
aplicada com um impacto instantâneo de um martelo (ou pêndulo) que
é liberado de uma posição elevada que se encontra a uma altura fixa h.
→ A amostra fica posicionada na base.
→ Com a liberação, o martelo atinge e fratura o corpo de prova
exatamente no entalhe, que atua como um ponto de concentração de
tensões no impacto do pêndulo com o corpo de prova.
→ O pêndulo continua o seu balanço, elevando-se até uma altura
máxima h’, que é inferior a h.
→ A absorção de energia, computada a partir da diferença entre h e h’,
representa uma medida de energia de impacto.
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
Desenho esquemático de um equipamento para ensaios de 
impacto. 
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ Uma das principais funções dos ensaios Charpy e Izod é a de
determinar se um material experimenta ou não uma transição dúctil-frágil
com a diminuição da temperatura e, se este for o caso, as faixas de
temperaturas ao longo das quais isso acontece.
➢ A transição dúctil-frágil está relacionada com a dependência da
absorção de energia de impacto medida em relação à temperatura. Essa
transição é representada pela curva Energia de impacto x Temperatura.
➢ Estruturas construídas a partir de ligas que exibem esse
comportamento dúctil-frágil devem ser usadas somente em temperaturas
acima da temperatura de transição, a fim de evitar fraturas frágeis e
catastróficas.
Transição dúctil-frágil
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
°
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ Metais CFC:
→ Não apresentam temperatura de transição.
→ Retém altas energias de impacto  são dúcteis com o abaixamento
da temperatura.
→ Exemplo: Al, Cu, Au, Ni
➢ Metais CCC e HC :
→ Apresentam temperatura de transição.
→ Esses metais e ligas devem ser usados somente em temperaturas
acima da temperatura de transição para evitar falha catastrófica.
→ Exemplo: Estrutura CCC: Nb, Cr; Estrutura HC: Ti, Zn
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
➢ A aparência da superfície da falha é um indicativo da natureza da fratura,
e pode ser usada em determinações da temperatura de transição.
➢ No caso de fratura dúctil, a superfície de fratura é fibrosa (opaca)
(caráter de cisalhamento; cisalhamento: deformação que sofre um corpo
quando sujeito à ação de forças cortantes).
➢ A aparência de uma superfície que sofreu fratura frágil é granular
(brilhosa) (caráter de clivagem, clivagem: propriedade que têm certos
cristais de se fragmentar segundo determinados planos).
➢ Ao longo da transição dúctil-frágil, existirão características de ambos os
tipos de fratura.
Superfície de fratura
ENSAIO DE FRATURA POR IMPACTO
Superfícies de fratura de corpos de prova de um aço ABNT A36 que 
foram testados nas temperaturas indicadas (em °C) segundo o ensaio 
Charpy com entalhe em V.
Fratura frágil Fratura dúctil