10-A Comportamento dúctil e frágil

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Comportamento dúctil e frágil
1. Introdução
Os materiais podem apresentar um Comportamento dúctil ou frágil conforme sua natureza, temperatura ou tipo de carga que estão submetidos.
Importante é reconhecer que nem sempre um material dúctil obtido através de uma ensaio de tração irá apresentar em todas as circunstâncias um comportamento dúctil, ou seja apresentar a capacidade de se deformar razoavelmente sem romper, 
1. Introdução
1. Introdução:
O material apresenta um comportamento frágil quando ele não se deforma plasticamente ou a deformação é muito pequena quando rompe. Ao fraturar não é observado deformação macroscópica.
1. Introdução:
1. Introdução
Em geral se diz que um material é dúctil quando apresenta um comportamento dúctil para carregamento estático. 
No entanto sob determinadas situações como por exemplo: carregamentos dinâmicos como fadiga (cargas cíclicas), choque mecânico ( carga de impacto), ou baixas temperaturas o seu comportamento pode ser alterado e o material romper de modo frágil ou seja sem deformação plástica macroscópica. 
No carregamento estático como um ensaio de tração o comportamento dúctil e frágil é facilmente identificado. 
O alongamento de ruptura e a Redução de área caracterizam o grau de ductilidade do material
2. Fratura Dúctil x Fratura Frágil
Fratura dúctil
Típica de materiais com dureza mais baixa
Apresenta deformação plástica macroscópica
Ocorre deformação plástica na vizinhança da trinca
A propagação da trinca é dita estável, ou seja a trinca não aumenta se não houver aumento da tensão aplicada. Para um aumento da tensão a trinca aumenta de forma relativamente lenta
2. Fratura Dúctil x Fratura Frágil
Fratura frágil:
Típica de materiais com elevada dureza
Não apresenta deformação plástica macroscópica e se propaga rapidamente.
Não ocorre deformação plástica na vizinhança das trincas ou a deformação é mínima
A propagação da trinca é instável, ou seja ela continua se propagando mesmo sem aumento da tensão aplicada.
Observação: A fratura dúctil é quase sempre preferível à fratura frágil pois:
A fratura frágil ocorre de forma repentina e catastroficamente sem nenhum aviso prévio (a propagação da trinca é espontânea e rápida).
A fratura dúctil dá um alerta devido a deformação plástica, podendo ser tomado providências.
Há necessidade de um incremento na tensão para induzir a fratura dúctil
3. Caracterização da Fratura Dúctil
3.1 Aspecto Macroscópico: Presença de deformação plástica antes de fraturar
Metais extremamente dúcteis: metais muito macios como o Pb, Au. A estricção é de quase 100%
Metais moderadamente dúcteis: aços de baixo e médio carbono, Alumínio. Formação da estricção, mas não próximo de 100%
Região interna central apresenta um aspecto fibroso
3. Caracterização da Fratura Dúctil
3.2 Estágios de formação da fratura dúctil: 
Formação/início da estricção (a):
Formação de pequenos vazios na seção transversal do material (b)
Aumento do tamanho dos vazios, aproximação e coalescimento (união) com formação de uma trinca elíptica normal a tensão aplicada (c)
Rápida propagação da trinca numa direção de 45º, que corresponde ao ângulo da máxima tensão cisalhante (d) 
A fratura muitas vezes fica com um aspecto de taça e cone, razão pelo qual é dado este nome para a fratura com este aspecto.
Região fibrosa
3. Caracterização da Fratura Dúctil
3.3 Aspecto Microscópico: 
A região fibrosa observada no microscópio eletrônico com grande ampliação apresenta micro cavidades esféricas (“dimples”) que correspondem aos micro vazios que surgiram durante os estágios da fratura dúctil e que foram separados quando da fratura.
Na região de cisalhamento (extremidades do corpo de prova fraturado) os dimples ficam com um formato parabólico conforme figura.
3. Caracterização da Fratura Dúctil
3.4 Causas e fatores influentes 
Causas para ocorrência de uma fratura dúctil: 
Carga acima da resistência do material:
Erro de cálculo de projeto (tensões reais a que o material está submetido são maiores do que o calculado) 
Erro na seleção do material: escolha de um material com resistência inferior ao calculado
Erro no processamento como por exemplo no Tratamento térmico do material não executado ou executado de modo incorreto
A fratura dúctil é favorecida quando ocorre: 
Temperaturas altas
Baixas taxas de carregamento (pequena variação da carga com o tempo)
Ausência de concentradores de tensão
Ruptura do eixo em função de tensão elevada para a resistência do material
4. Caracterização da Fratura Frágil
4.1 Aspecto Macroscópico: 
Ausência de deformação plástica antes da ruptura
A direção de propagação da trinca é aproximadamente perpendicular a direção da carga
Não apresenta um aspecto fibroso como na fratura dúctil, apresentando uma superfície mais lisa.
4. Caracterização da Fratura Frágil
4.2 Aspecto Microscópico: 
Para a maioria dos materiais cristalinos a propagação da trinca ocorre através de planos cristalográficos ao qual dá-se o nome de ruptura por clivagem ou transgranular.
Em algumas situações a propagação da trinca ocorre ao longo dos contornos de grão, e neste caso ela é denominada de fratura intergranular, conforme figuras esquemática observadas em um microscópio Óptico:
Fratura por clivagem ou transgranular
Fratura intergranular
4. Caracterização da Fratura Frágil
4.2 Aspecto Microscópico: 
Fratura por Clivagem ou Transgranular: 
A fratura passa através dos grãos, ocorrendo a separação de planos cristalinos 
Causas:
Baixas temperaturas
Tamanho de grão (grosseiro)
Altas taxas de carregamento (aumento rápido da carga com o tempo/impacto)
Presença de entalhes e concentradores de tensões
Geralmente ocorre com altas tensões
Observação através de MEV
4. Caracterização da Fratura Frágil
4.2 Aspecto Microscópico:
B) Fratura Intergranular: 
A fratura ocorre ao longo dos contornos de grão 
Causas:
Fragilização por Hidrogênio (decapagem com HCl ou H2SO4), 
Trincas de têmpera 
Corrosão intergranular (aços inoxidáveis austeníticos
Fragilidade de revenido
Presença de cementita em contorno de grão
Segregação de impurezas em contorno de grão
Microscópio eletrônico (MEV)
 Microscópio Ótico
5. Concentração de Tensões
Concentração de tensão é a ampliação localizada do estado de tensões que o material está submetido devido a presença de descontinuidades geométricas, como alterações de secções em peças, presença de furos, presença de entalhes, trincas, etc.
5. Concentração de Tensões
A tensão na região onde está o concentrador de tensões é maior do que a tensão nominal ou média
σ = F/A
σmédia = F/(w-2r)t
A = (w-2r) x t
σmáxima = σmédia * K
F
F
K = fator de concentração de tensões
σmáxima = Tensão na região do concentrador de tensões
σmédia = Tensão nominal caso não houvesse concentrador de tensões
5. Concentração de Tensões
K = fator de concentração de tensões
Observar que quanto menor o raio maior o valor do concentrador de tensões “k”.
Isto significa que quanto menor o raio (raio é praticamente zero na extremidade de uma trinca ) maior será a concentração da tensão
5. Concentração de Tensões
Sempre que possível deve-se eliminar ou reduzir a concentração de tensões, como por exemplo evitar cantos vivos, aumentar o raio quando de alteração de secções.
A presença de trincas é muito nociva pois o raio é muito pequeno concentrando muito as tensões.
5. Concentração de Tensões
Qual a razão que os engenheiros fazerem um furo na extremidade de uma trinca em material de aço quando de uma inspeção de pontes ou estruturas?
Quanto maior o raio menor será a concentração da tensão e mais tempo a estrutura irá levar para romper