Laboratório 5_ Ciência, Tecnologia e Resistência dos Materiais

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 n g e l o M a r c í l i o | E n g e n h a r i a E l é t r i c a
UNIDADE 1
INTRODUÇÃO AOS ENSAIOS DE MATERIAIS
OBJETIVOS DEAPRENDIZAGEM
• compreender a importância da caracterização mecânica dos materiais antes da sua utilização;
• conceituar as principais propriedades mecânicas;
• reconhecer a importância das normas regulamentadoras para a realização dos ensaios de caracterização dos
materiais e na vida do profissional engenheiro;
• conhecer os principais equipamentos de ensaios mecânicos de materiais;
• analisar os dados de uma amostragem experimental e calcular os coeficientes da equação da reta de
regressão linear;
• conceituar as propriedades gerais e mecanismos de fratura de corpos;
• conceituar os principais fundamentos da mecânica da fratura;
• determinar os coeficientes que influenciam nos fenômenos das fraturas de materiais;
• identificar materiais com características frágeis e materiais dúcteis;
• reconhecer os tipos característicos das fraturas e distinguir entre a fratura dúctil, a fratura frágil e a fratura
por fadiga.
NOÇÕES PRELIMINARES
ENSAIOS DOS MATERIAIS
Os ensaios mecânicos são realizados com a finalidade de verificar o comportamento do material quando
sob a ação de esforços e que são expressos em função de tensões e/ou deformações. Ou seja, os ensaios
mecânicos são realizados para determinar a resistência do material a determinado esforço, esses esforços
podem ser de tração, compressão, flexão, torção, cisalhamento, entre outros.
As tensões podem ser expressas como as forças que atuam sobre uma determinada área em um corpo. Por
exemplo, quando realizamos o ensaio de resistência à tração em um corpo de prova de aço, o esforço
externo será de esticar o corpo de prova, por meio de duas garras, uma em cada extremidade da amostra,
enquanto o esforço interno se refere ao comportamento da sua microestrutura (interações atômicas) quando
submetido ao esforço externo. Enquanto a deformação é uma consequência da tensão que está sendo aplicada
nessa amostra, ou seja, a alteração no seu formato original.
As propriedades dos materiais estão diretamente relacionadas com a sua microestrutura. Essas
propriedades podem ser divididas em propriedades químicas e físicas.
As propriedades químicas se referem à capacidade de uma substância em sofrer transformações, ou
seja, por meio de reações químicas, altera sua composição química. Avaliar as propriedades químicas
dos materiais é essencial para verificar sua capacidade de resistência à corrosão, aos ácidos e às
soluções salinas. Um exemplo clássico é a reação de oxidação do ferro quando exposto ao ar úmido,
formando o óxido de ferro mono-hidratado, que apresenta uma coloração castanho-avermelhada.
Assim, concluímos que o ferro não é um material resistente à corrosão. Como exemplo de material
resistente à corrosão, pode-se citar o alumínio.
Enquanto as propriedades físicas são aquelas que podem ser medidas e observadas sem alteração
na composição química da substância, por exemplo, o ensaio de dureza, resistência mecânica, módulo
de elasticidade, condutividade térmica, fragilidade, ductilidade, variação dimensional, fadiga, entre
outros.
Nas propriedades físicas estão incluídas as propriedades mecânicas, as quais determinam a maior
ou menor capacidade do material em receber, transmitir ou resistir os esforços mecânicos que lhe são
aplicados. As propriedades mecânicas são as propriedades mais importantes a serem consideradas na
escolha de um material que será submetido a um esforço mecânico em sua aplicação.
• Resistência: propriedade de um corpo que reage contra a ação de outro corpo, ou seja, a capacidade do
material em resistir à aplicação de determinados tipos de esforços, esses esforços podem ser de torção,
tração, flexão, compressão, entre outros;
• Elasticidade: propriedade do material segundo a qual a deformação que ocorre em função da aplicação de
tensão desaparece quando a tensão é retirada, ou seja, a capacidade do material em se deformar quando
submetido a um esforço e de voltar ao seu formato original quando o esforço é retirado. Exemplos de
materiais que apresentam essa propriedade são a borracha, alguns materiais plásticos e o aço (quando
fabricado para esse fim, como é o caso das molas de aço);
• Plasticidade: capacidade de o material sofrer deformação permanente sem se romper, ou seja, é a
capacidade do material em se deformar quando submetido a um esforço e de manter a sua deformação após
a retirada do esforço aplicado, como o caso dos aços doces (aços produzidos com menos de 0,2% de
carbono em sua composição);
• Tenacidade: é a capacidade de o material absorver a energia (como resistir a um impacto), ou seja, é a
capacidade do material de apresentar grande deformação sem se romper. Sendo que quanto mais tenaz for o
material, maior será a sua capacidade em resistir aos impactos físicos. Os materiais cerâmicos, como o
concreto, apresentam baixa tenacidade, enquanto que os materiais metálicos, como o aço doce, apresentam
alta tenacidade;
• A dureza é a capacidade do material em resistir à penetração, à deformação plástica permanente e ao
desgaste. A dureza pode ser avaliada pela capacidade de um material “riscar” o outro, sendo que o material
mais duro que existe é o diamante. Por isso que existem serras diamantadas, que cortam ou riscam
qualquer tipo de material como o metal, a cerâmica, o vidro. Porém, para riscar o diamante, apenas outro
diamante (GARCIA et al., 2012).
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Os ensaios de caracterização dos materiais podem ser classificados de acordo com a
integridade geométrica e dimensional da peça, ou de acordo com a velocidade de aplicação da
carga. Sendo que, quando são classificados baseados na integridade geométrica e dimensional da
peça ou componente, podem ainda ser divididos em:
•Ensaios destrutivos: provocam inutilização parcial ou total da peça (ou corpo de prova), ou seja,
promovem a ruptura do material, como o ensaio de resistência à tração, dureza, fadiga, fluência,
torção, flexão e tenacidade à fratura.
•Ensaios não destrutivos: são utilizados para determinar algumas propriedades físicas do material,
bem como detectar falhas internas do mesmo, sendo que não comprometem a integridade da peça
(ou corpo de prova), ou seja, a sua realização pode ocorrer com a peça em serviço, por exemplo,
uma viga de concreto armado em um edifício ou um eixo de transmissão já instalado. Exemplos
de ensaios não destrutivos são os ensaios de raios-X, raios-γ, ultrassom, partículas magnéticas,
líquidos penetrantes, elétricos (ZOLIN, 2011).
NOÇÕES SOBRE NORMAS TÉCNICAS
Há algumas décadas, a produção era artesanal e não existiam padrões ou normas técnicas.
Produtos e serviços eram desenvolvidos sem os atuais controles e não havia garantia de que a cada
produção seriam obtidos itens com características iguais àquelas obtidas anteriormente. Essa
situação começou a ser modificada no início da Revolução Industrial, quando as empresas
passaram a organizar seus processos produtivos de forma a manter as características de sua
produção. Essa padronização, no entanto, visava mais uma redução no custo da produção do que a
diminuição da variabilidade dos produtos (ROMAN et al., 2010).
Com a padronização dos processos, houve uma consequente minoração da variabilidade dos
produtos dentro de uma mesma empresa, porém continuaram a existir grandes disparidades entre
os produtos de diferentes indústrias, apesar de servirem à mesma finalidade. Esse fato acarretava
dificuldades para os usuários, tanto pelas diferenças de aplicação de produtos fabricados por
diferentes empresas, quanto pela dificuldade de encontrar peças adequadas de reposição
(ROMAN et al., 2010).
O estabelecimento das principais características e propriedades de um determinado produto
em um documento, acessível a todas as partes envolvidas, foi o primeiro passo para se chegar aos
processos de normalização técnica de que se dispõe hoje (ROMAN et al., 2010).
As normas técnicassurgiram, portanto, de uma necessidade da sociedade, para servir a essa mesma
sociedade, como ferramenta de avaliação de produtos e serviços. A normalização pode ser vista como uma
maneira de organizar as atividades por meio da criação e utilização de regras ou normas, visando sempre ao
desenvolvimento econômico e social. Dentro desse enfoque, a normalização é o processo de padronização
destinado a estabelecer e aplicar regras, de forma a ordenar uma atividade específica para o benefício de todos
os interessados levando em consideração condições funcionais e exigências de segurança. Na prática, a
normalização está presente na fabricação dos produtos, na transferência de tecnologia e na melhoria da
qualidade de vida por meio de normas relativas à saúde, à segurança e à preservação do meio ambiente.
O ABNT ISO/IEC Guia 2 (2006) define o que são Normas e Regulamentos Técnicos:
•Norma Técnica: documento, estabelecido por consenso e aprovado por um organismo reconhecido, que
fornece, para um uso comum e repetitivo, regras, diretrizes ou características para atividades ou seus
resultados, visando à obtenção de um grau ótimo de ordenação em um dado contexto. Convém que as normas
sejam baseadas em resultados consolidados pela ciência, pela tecnologia e pela experiência acumulada, visando
promover benefícios para a comunidade.
•Regulamento: documento que contém regras de caráter obrigatório e que é adotado por uma autoridade.
•Regulamento Técnico: regulamento que estabelece requisitos técnicos, seja diretamente, seja pela referência
ou incorporação do conteúdo de uma norma, de uma especificação técnica ou de um código de prática.
A normalização técnica tem como objetivo contribuir nos seguintes aspectos:
•Qualidade: definir padrões que levam em conta as necessidades e os requisitos dos usuários, ao mesmo
tempo que sistematiza e ordena as atividades produtivas, aumentando a reprodutibilidade e diminuindo a
variabilidade.
•Produtividade: padronizar produtos, processos e procedimentos, evidenciando a necessidade de redução de
custos e reduzir a variedade de procedimentos e tipos de produtos.
•Tecnologia: consolidar, difundir e estabelecer parâmetros consensuais entre produtores, consumidores e
especialistas, colocando os resultados à disposição da sociedade; assegurar a proteção ao consumidor,
introduzindo requisitos que permitam a possibilidade de aferir a qualidade dos produtos e serviços;
proteger a vida humana, a saúde e o meio ambiente por meio do estabelecimento de limites para parâmetros
específicos.
•Eliminação de barreiras técnicas e comerciais: evitar a existência de regulamentos conflitantes sobre
produtos e serviços em diferentes países, facilitando o intercâmbio comercial;
•Certificação e avaliação da conformidade: servir de base a processos de avaliação da conformidade e
certificação de produtos e serviços (ROMAN et al., 2010).
UNIDADES: SISTEMAINTERNACIONAL
O Sistema Internacional de Unidades (SI) foi estabelecido em 1960 na Conferência de Pesos e Medidas,
realizada em Paris. No Brasil, o seu uso foi estabelecido com o Decreto nº 81.621, de 3 de maio de 1978.
O Sistema Internacional de Unidades é utilizado para padronizar as unidades de medida, adotando-se uma
unidade para cada grandeza física. Antes da instituição do SI, as medidas eram definidas de maneira arbitrária
por cada país, o que dificultava as transações comerciais e, sobretudo, o intercâmbio científico entre eles. Por
exemplo, as unidades de comprimento eram derivadas do corpo do rei de cada país: a jarda, o pé, a polegada.
O SI é composto por sete unidades fundamentais, que estão listadas no quadro a seguir. Essas unidades
são independentes, não podem ser reduzidas e servem de referência para a determinação de novas medidas.
UNIDADES FUNDAMENTAIS DO SISTEMAINTERNACIONAL
GRANDEZA NOME SÍMBOLO
Comprimento Metro m
Massa Quilograma kg
Tempo Segundo s
Corrente elétrica Ampère A
Temperatura termodinâmica Kelvin K
Quantidade de uma substância Mol mol
Intensidade luminosa Candela cd
UNIDADES DERIVADAS DO SISTEMA INTERNACIONAL
GRANDEZA NOME SÍMBOLO
Área Metro quadrado m2
Volume Metro cúbico m3
Velocidade Metro por segundo m/s
Massa específica Quilograma por metro cúbico kg/m3
Volume específico Metro cúbico por quilograma m3/kg
Concentração Moles por metro cúbico mol/m3
Força Newton (N) kg.m/s2
Energia Joule (J) kg.m2/s2 ou N-m
Tensão Pascal (Pa) kg/m-s2 ou N/m2
Deformação - m/m
Potência Watt (W) kg.m2/s3, J/s
Viscosidade Pascal-segundo kg/m.s
Frequência Hertz (Hz) s-1
Carga elétrica Coulomb (C) A.s
Potencial elétrico Volt (V) kg.m2/s2.C
Capacitância Farad s2.C/kg.m2
Resistência elétrica Ohm kg.m2/s.C2
Fluxo magnético Weber kg.m2/s.C
PREFIXOS MÚLTIPLOS E SUBMÚLTIPLOS DO SISTEMAINTERNACIONAL
FATOR PELO QUAL É MULTIPLICADO PREFIXO SÍMBOLO
1024 Yotta Y
1021 Zetta Z
1018 Exa E
1015 Peta P
1012 Tera T
109 Giga G
106 Mega M
103 Quilo k
10-3 Mili m
10-6 Micro µ
10-9 Nano n
10-12 Pico p
10-15 Femto f
10-18 Atto a
10-21 Zepto z
10-24 Yocto y
TÓPICO 2
PRÁTICAS DE LABORATÓRIO, EQUIPAMENTOS E ANÁLISE DE DADOS
EQUIPAMENTOS
Uma das prerrogativas para o desenvolvimento de ensaios experimentais é a padronização dos
experimentos. Isto é, os ensaios devem ser realizados de maneira que os dados obtidos sejam válidos e
comparáveis com outros ensaios. Para isso, há a necessidade de padronização, não apenas do tipo de ensaio, mas
das condições de ensaio e funcionamento dos equipamentos, tais como velocidade, carga, deformação, entre
outras.
Por exemplo, em um ensaio de um material qualquer, quanto mais rápida a deformação provocada no corpo
de prova, mais elástica deverá ser a sua resposta mecânica. Isso devido ao fato do material não possuir tempo
suficiente para reorganizar as suas partículas, resultando em um comportamento elástico.
PRENSA HIDRÁULICA UNIVERSAL
A prensa hidráulica universal é um equipamento eletromecânico que está ligado a uma célula de carga que
realiza a aplicação e medição da força em um corpo de prova, possui um cabeçote móvel para o deslocamento
do pistão que aplica a carga, além dos acessórios para a fixação dos corpos de prova (para realização de
ensaios de resistência à tração, compressão, flexão, entre outros), que consiste em uma base fixa que serve
como o ponto de reação da prensa e um botão de segurança para paradas emergenciais. Existem prensas com
controladores acoplados ou controlados por computador. Chama-se de prensa “universal” porque é possível
realizar vários tipos de ensaios nesse tipo de prensa, como compressão, tração, módulo de elasticidade, entre
outros.
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CÉLULA DE CARGA
As células de carga são equipamentos que transformam a carga mecânica em sinal eletrônico, para a
leitura em meios digitais. Normalmente, fazem a leitura por meio de conectores acoplados a computadores e
realizam as leituras na unidade de força Newtons (N). Apesar disso, há células de carga que fazem as leituras
em unidade de quilos, por exemplo, toneladas. Existe uma infinidade de tipos de células de carga, mas as
mais genéricas são as do tipo “S” (a). Em paralelo, os equipamentos atuais normalmente já possuem uma
célula de carga própria acoplada ao equipamento (b). Além disso, há a possibilidade de conectar vários tipos
de célula de carga, dependendo da necessidade do ensaio a ser executado.
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ACESSÓRIOS DE FIXAÇÃO DO CORPO DE PROVA
Nas prensas universais podem ser realizados diversos tipos de ensaios, e para isso, há necessidade de
diferentes acessórios para a fixação dos corpos de prova. Por exemplo, para o ensaio de compressão,
normalmente se utiliza uma superfície plana superior e inferior.
Para os ensaios de flexão existem duas variações, os de três e quatro pontos. No ensaio de três pontos,
a aplicação da carga é realizada por meio de um único ponto e é apoiada em dois pontos. Enquanto que no
ensaio de flexão de quatro pontos, a aplicação da carga é realizada por meio de dois pontos. Essa
configuraçãoresulta em uma distribuição de tensões diferentes, pois no caso do ensaio de três pontos, o
momento máximo encontra-se no meio do vão central do corpo de prova, enquanto que no ensaio de quatro
pontos, esse momento máximo é constante entre os pontos de aplicação de carga, conforme apresentado
no quadro a seguir. No caso do esforço cortante, esse também sofre alterações, apresentando trechos de
nulidade ao longo do corpo de prova.
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ACESSÓRIOS MEDIDORES DE DESLOCAMENTO
Nos ensaios experimentais de materiais, em geral, utilizam-se acessórios para a medida do deslocamento. Por
exemplo, quando se objetiva analisar a deformação de um material com a aplicação de determinada carga. Dessa forma,
dependendo do que se pretende analisar, são utilizados diferentes medidores e acessórios de medição de
deformação/deslocamento.
Nos ensaios de compressão, como os corpos de prova costumam ser mais robustos, o equipamento mais utilizado é o
transdutor para medição de deslocamento linear, do inglês Linear Variable Differential Transformer (LVDT). De maneira
geral, nesse tipo de equipamento, a posição de uma haste móvel dentro de um campo magnético pode transmitir diferentes
tensões elétricas dependendo da posição em que se encontra nesse circuito. Normalmente, para esse tipo de equipamento
existe uma variação de tamanhos e limites de medição, pois pode-se medir desde micrômetros (10-6 metros) para corpos de
prova relativamente pequenos, até centímetros para corpos de prova relativamente grandes, como deflexão de vigas em
escala real.
Existem também os extensômetros tipo “clip gage”, que são equipamentos de medida linear, mas de configuração
diferente do LVDT, pois são fixados diretamente no corpo de prova na posição em que se deseja obter a medida de
deformação. Nesse tipo de equipamento, há possibilidade de diversos métodos de medida, como ensaios de módulo de
elasticidade, deformação circunferencial, deformação de tração axial, abertura de fissura, entre outros.
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NOÇÕES DEMETROLOGIA, ERROSEINCERTEZAS APLICÁVEISAOS EXPERIMENTOS
A metrologia pode ser definida como a “Ciência da medição e suas aplicações”, que no Brasil é coordenada pelo
Instituto Brasileiro de Metrologia (INMETRO), e engloba todos os aspectos teóricos e práticos da medição, qualquer que
seja a incerteza de medição e o campo de aplicação. De forma geral, é a obtenção de padrões de qualidade com base em
medidas precisas e mundialmente estabelecidas.
Para entendermos mais sobre os conceitos de metrologia, há a necessidade de esclarecer alguns conceitos, como
(CABRAL, 2004):
•Medição: processo de obtenção experimental de um ou mais valores que podem ser, razoavelmente, atribuídos a uma
grandeza, não se aplica a propriedades qualitativas. A medição implica a comparação de grandezas e engloba a contagem
de entidades e pressupõe uma descrição da grandeza que seja compatível com o uso pretendido de um resultado de
medição, de um procedimento de medição e de um sistema de medição calibrado que opera de acordo com um
procedimento especificado, incluindo as condições de medição.
•Grandeza: propriedade de um fenômeno, de um corpo ou de uma substância,
que pode ser expressa quantitativamente sob a forma de um número e/ou de uma referência.
Atualmente, a metrologia é dividida em três áreas de atuação, a Metrologia científica, Metrologia industrial e Metrologia
Legal:
A Metrologia Científica trata, fundamentalmente, dos padrões de medição nacionais e internacionais, dos instrumentos
laboratoriais, das pesquisas e de metodologias científicas relacionadas ao mais alto nível de qualidade. A metrologia científica
indica as unidades de medida a partir da definição, recorrendo à ciência (física e outras), bem como as constantes físicas
fundamentais, desenvolvendo, mantendo e conservando os padrões de referência. Atua ao nível da mais alta exatidão e
incerteza, sendo independente de outras entidades em termos de rastreabilidade. A garantia dos valores obtidos garante a
comparação com outros laboratórios primários.
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A Metrologia Industrial abrange os sistemas de medição responsáveis pelo controle dos processos produtivos e pela garantia
de qualidade e segurança de produtos. Atua no âmbito de medições da produção e transformação de bens para a demonstração
da qualidade metrológica em organizações com sistemas de qualidade certificados. As medições na indústria viabilizam a
quantificação das grandezas determinantes à geração de um bem ou serviço, subsidiando com informações o planejamento, a
produção e o gerenciamento dos processos que o produzem.
A Metrologia Legal é a parte da metrologia relacionada às atividades resultantes de exigências obrigatórias referentes às
medições, unidades de medida, instrumentos e métodos de medição, que são desenvolvidas por organismos competentes.
Tem como objetivo principal proteger o consumidor tratando das unidades de medida, métodos e instrumentos de medição,
de acordo com as exigências técnicas e legais obrigatórias. Com a supervisão do governo, o controle metrológico estabelece
adequada transparência e confiança com base em ensaios imparciais. A exatidão dos instrumentos de medição garante a
credibilidade dos sistemas utilizados nas transações comerciais e pelos sistemas relacionados às áreas de saúde, segurança e
meio ambiente.
ERROS E INCERTEZAS NAS MEDIÇÕES
Por maior cuidado que se tenha ao efetuar uma medição, mesmo que se utilize equipamentos “topo de linha” em condições
ambientais bem controladas, os resultados que se obtém podem ser afetados por diversos erros. Nada nem ninguém é perfeito.
Como tal, os resultados das medições, dos ensaios e das análises também não podem ser perfeitos. Isto não é novidade para
ninguém. Uma das principais tarefas de um experimentador é identificar as fontes de erro que podem afetar o processo de
medição, e quantificar essas fontes. Essa “falta de perfeição” é designada, atualmente, por “incerteza”. A palavra “erro”, que
durante largos anos foi utilizada com esse mesmo significado, está hoje em dia reservada para designar o afastamento entre o
valor obtido numa medição e o correspondente valor verdadeiro, o qual é, em geral, desconhecido (CABRAL, 2004).
Os erros experimentais são comumente classificados como:
•Erros grosseiros – são devidos à falta de atenção, pouco treino ou falta de perícia do operador. São geralmente
fáceis de detectar e eliminar. Por exemplo, uma troca de algarismos ao registrar um valor qualquer.
•Erros sistemáticos – são os que afetam os resultados sempre no mesmo sentido. Exemplo: incorreto
posicionamento do “zero” da escala, afetando todas as leituras feitas com esse instrumento. Devem ser
compensados ou corrigidos convenientemente.
•Erros aleatórios – associados à natural variabilidade dos processos físicos, levando a flutuações nos valores
medidos. São imprevisíveis e devem ser abordados com métodos estatísticos.
•Os “erros absolutos” correspondem à diferença algébrica (positivo ou negativo) entre o valor obtido e o valor
verdadeiro:
Erro
absoluto 
= Valor
medido 
– Valor
verdadeiro
•Repetibilidade – aproximação entre os resultados de medições sucessivas da mesma medida efetuadas nas
mesmas condições de medição. Estas condições são chamadas condições de repetibilidade e incluem: mesmo
procedimento de medição; mesmo observador; mesmo instrumento de medição, utilizado nas mesmas
condições; mesmo local; repetição num curto intervalo de tempo. A repetibilidade pode ser expressa
quantitativamente em termos das características da dispersão dos resultados.
•Reprodutibilidade – aproximação entre os resultados das medições da mesma medida, efetuadas com
alteração das condições de medição. Para que uma expressão da reprodutibilidade seja válida, é necessário que
sejam especificadas as condições alteradas. As condições alteradas podem incluir: princípio de medição;
método de medição; observador; instrumento de medição; padrão de referência; local; condições de utilização;
tempo.
ANÁLISEDE DADOS
Com relação à análise dos dados, abordaremos brevemente os conceitos básicos para realizar uma medida
experimental aceitável, para isso, temos que nos inteirar dos conceitos básicos de análise de dados. Numa
análise de dados, ao tratar estatisticamente uma (ou mais) características ou parâmetros, podemos nos encontrar
perante duas situações distintas:
•Analisar toda a população, isto é, todos os elementos que apresentam a característica que nos interessa.
•Analisar uma amostra, que é o que acontece quando o número de elementos que constituem a população é
muito grande (ou mesmo infinito), para que seja viável caracterizá-la de uma forma rápida e/ou econômica.
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Em conjunto com os conceitos de população e amostra, está relacionado o conceito de média
aritmética, que é o número de leituras de determinada medição (quantitativa) dividido pela
quantidade de leituras realizadas.
O desvio é um dos tipos de análises utilizadas para verificação da qualidade da medida realizada.
Quanto menor o desvio da amostra ou da população medida, mais próximos da média estão os dados. Isto
é, mais precisa foi a sua coleta de dados.
Para o cálculo do desvio, normalmente, utiliza-se como parâmetro estatístico o desvio-padrão. Por
definição, o desvio-padrão (s) de um número infinito de dados é a raiz quadrada da soma dos quadrados de
todos os desvios individuais a dividir pelo número total de leituras.
TÓPICO 3
ANÁLISE DE FALHAS
CONCEITOS PRELIMINARES SOBRE FRATURA
De modo geral, pode-se classificar a fratura como a separação de um corpo em dois ou mais pedaços
devido à imposição de tensões nesse corpo, ou devido à temperatura que atua num corpo qualquer.
Normalmente, a tensão (força sobre uma determinada área) é de compressão, tração, torção ou de
cisalhamento que resulta em dois modos de fratura fundamentais, a fratura frágil e a fratura dúctil. Essa
classificação está relacionada com a capacidade de o material apresentar, ou não, deformação plástica antes da
sua falha (deformação é alteração da sua forma original devido à aplicação de uma tensão sobre um corpo).
Nos materiais frágeis, não há deformação ou absorção de energia mecânica antes da sua fratura, isto é, há uma
fratura repentina. Enquanto que nos materiais dúcteis, a fratura é acompanhada de uma deformação substancial
e alta capacidade de absorção de energia mecânica antes da fratura do material.
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Pode-se dizer que frágil e dúctil são denominações relativas, pois dependem da situação de aplicação do material. Sendo
que a deformação pode ser quantificada em relação ao percentual do próprio corpo de prova ou uma relação a um ponto de
referência, como deflexão, por exemplo, e normalmente é acompanhada de uma redução da sua seção transversal. Em
paralelo, a temperatura influencia diretamente a ductilidade dos materiais, por consequência, o seu comportamento à fratura.
A fratura de um material tem como base dois fenômenos, a formação e a subsequente propagação das fissuras à medida
que se impõe no material. Na fratura dúctil, existe uma extensa deformação plástica na região ao redor da fissura, esse tipo de
fratura é considerada “estável”, pois propaga-se de maneira relativamente lenta, e para a sua propagação, há a necessidade do
aumento da carga aplicada; enquanto que, na fratura frágil, não existe deformação plástica e toda a energia mecânica
concentra-se nas bordas das fissuras, resultando em um aumento progressivamente rápido sem a necessidade do aumento de
carga, denomina-se esse tipo de fratura de “instável”.
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MECÂNICADAFRATURA
Nos materiais sólidos, a resistência é função da interação intermolecular e da sua composição química.
Considerando isso, é possível estimar que a resistência de um material é equivalente a 10% do valor do seu
módulo de elasticidade, porém, o que acontece é que os valores reais chegam a 1000 vezes menos que o valor
do módulo de elasticidade. Com base nessa característica, o pesquisador Griffith, no início do século XX,
propôs que essa diferença entre o valor real e o valor teórico é devido a defeitos que estão contidos nos
materiais, e acabam sendo um defeito intrínseco.
Esses defeitos são os responsáveis por reduzirem o valor de resistência estimada para o valor real. Além do
defeito em si, a geometria do defeito influencia diretamente na propagação da fissura e, consequentemente, na
falha. Uma vez aplicada uma tensão no material, tem-se que a magnitude da tensão diminui em função da
distância para a extremidade da fissura. Em posições mais afastadas da borda da fissura, a tensão é igual à
tensão nominal (σ0), isto é, corresponde à carga aplicada dividida pela área da seção transversal da amostra.
Agora, uma vez que se aproxima da borda da fissura, a tensão aumenta até o seu valor máximo, denominado
de tensão máxima na extremidade da fissura (σm), sendo todo esse conceito conhecido como “Teoria de
Griffith” (Figura 20).
Na maioria dos casos, a fissura apresenta um formato elíptico e está orientada em uma direção
perpendicular à tensão aplicada, nesse caso, pode-se calcular a tensão máxima na extremidade da fissura.
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TIPOS DEFRATURAS
Os tipos de fraturas que podem ocorrer em uma peça ou em um corpo de prova são dúcteis, frágeis
ou por fadiga. A determinação de qual fratura vai ocorrer depende, em grande parte, da natureza da
peça.
A natureza da peça está relacionada com o processo de fabricação e as características intrínsecas
de cada material, por exemplo CALLISTER (2008):
•O material dúctil é aquele que pode ser alongado, flexionado ou torcido sem se romper, ele admite
deformação plástica permanente, após a deformação elástica, como o aço e o alumínio;
•O material frágil, por sua vez, rompe-se facilmente, ainda na fase elástica, sendo que nos materiais
frágeis a fase plástica é praticamente inexistente, o que indica a sua pouca capacidade de absorver
deformações permanentes, como o concreto e ligas fundidas de elevada dureza.
Na fratura frágil não é observada qualquer deformação no material, devido à rápida propagação da
fissura, sendo observado, também, que a direção da propagação da fissura é perpendicular à direção
da tensão de tração aplicada, com isso produz uma superfície de fratura relativamente plana.
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Já em relação à fratura dúctil, pode ser dúctil ou “muito” dúctil. A fratura dúctil é o resultado mais
encontrado como resposta à tensão de tração em materiais metálicos, pois devido às ligações químicas
metálicas desses materiais, eles conseguem se conformar e absorver os impactos. Na fratura dúctil, o material
passa pelo regime elástico e plástico e, antes da ruptura, ocorre o encruamento do material, que nada mais é
do que a redução da seção ou área do corpo de prova. O mesmo comportamento é encontrado nos materiais
muito dúcteis, porém em uma maior intensidade, sendo nesses casos, a redução de, praticamente, 100% da
sua área. Como materiais muito dúcteis, podemos citar, também, os polímeros.
Enquanto que a fratura por fadiga ocorre quando a peça ou corpo de prova está sujeito a tensões dinâmicas
e oscilantes, exemplos práticos de onde pode ocorrer esse tipo de fratura são pontes, aeronaves e
componentes de máquinas.
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FRATURA DÚCTIL
A fratura dúctil ocorre em materiais que apresentam deformação elástica seguida da deformação plástica,
acompanhada do encruamento da sua seção transversal. Na Figura 24 tem-se o passo a passo até a fratura de uma
peça de aço doce. Na Figura 24 (a) está o corpo de prova no início do ensaio de resistência à tração acoplado nas
garras da prensa hidráulica. Com a aplicação da tensão, o corpo de prova começa a se deformar plasticamente
com redução da sua seção transversal (Figura 24 (b)), como a carga não é cessada, a deformação plástica
continua até a fratura do corpo de prova (Figura 24 (c)). Na Figura 24 pode-se, também, observar o aumento do
comprimento do corpo de prova desde o seu início até a fratura.
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Na Figura tem-se uma peça de alumínio, após o ensaiode resistência à tração, sendo que essa superfície de
fratura é conhecida como fratura taça e cone, uma vez que uma das superfícies possui a forma de uma taça,
enquanto a outra lembra um cone. Nesse tipo de amostra fraturada, a região central interior da superfície possui
uma aparência irregular e fibrosa (indicativo da deformação plástica).
O processo de fratura dúctil passa por cincos estágios antes da sua ruptura
total:
Estágio 1: inicia-se o encruamento do corpo de prova, com redução da sua seção transversal;
Estágio 2: pequenas cavidades ou microvazios se formam no interior da seção transversal, localizada no
centro do ponto onde está ocorrendo o encruamento;
Estágio 3: com o aumento da tensão aplicada no corpo de prova, os microvazios aumentam e se aproximam,
formando uma fissura elíptica, a qual possui o seu maior eixo em uma direção perpendicular à da aplicação da
tensão;
Estágio 4: a deformação do corpo de prova prossegue e a fissura aumenta, pelo processo de aglomeração
dos microvazios;
Estágio 5: a fratura ocorre pela propagação da fissura nas extremidades da seção do corpo de prova. Sendo
então, o esforço de cisalhamento (tendência a “cortar” a peça), o principal responsável pela ruptura na estrutura
cristalina em um ângulo de 45º entre os planos dos microconstituintes.
Todos esses estágios ocorrem em uma pequena fração de tempo, se a carga que está sendo aplicada é
constante.
FRATURA FRÁGIL
A fratura frágil ocorre quando a zona plástica do corpo de prova é muito pequena ou até mesmo nula,
com pequena deformação plástica e, após atingir a carga máxima, o corpo de prova se rompe com uma
redução de seção imperceptível. Em geral, na fratura, o corpo de prova de metal muito endurecido (como o
ferro fundido, o aço temperado e ligas não ferrosas muito duras) apresenta uma aparência brilhante e lisa,
principalmente, em materiais amorfos, como os vidros cerâmicos, conforme a Figura 27 (SOUZA, 1982).
FRATURA FRÁGIL EM UM AÇO
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A fratura frágil é caracterizada pela separação das duas partes do corpo de prova, normalmente
perpendicular à tensão de tração. Os mecanismos de formação de fratura frágil, em materiais metálicos, são,
de acordo com Callister (2008) e Zolin (2011):
•Por fratura transgranular (clivagem): a propagação da fissura ocorre devido à quebra sucessiva e repetida de
ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos específicos, ou seja, é a separação dos planos
cristalinos em dois. A fratura transgranular é assim chamada pois as fissuras passam através dos grãos
(Figura 28). As condições favoráveis ao aumento da fratura por clivagem são o aumento do teor de carbono,
a queda na temperatura e os entalhes superficiais.
•Por fratura intergranular: a propagação da fissura ocorre ao longo dos contornos dos grãos, ou seja, é a
separação dos grãos cristalinos. Esse tipo de fratura resulta, normalmente, após a ocorrência de processos
que enfraquecem ou fragilizam as regiões dos contornos dos grãos, na Figura 29 tem-se uma micrografia
eletrônica de varredura (MEV) da fratura intergranular. Os fatores que facilitam a fratura intergranular são
a formação do grão cristalino e os tratamentos térmicos, responsáveis pela alteração das tensões internas
dos microconstituintes.
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FRATURA POR FADIGA
As fraturas por fadiga podem ocorrer mesmo se a tensão aplicada no material não seja a sua tensão máxima de ruptura,
devido a tensões oscilantes, ou seja, a fratura ocorre após um longo período de tensões repetidas.
O fenômeno da fratura à fadiga é fortemente influenciado pelas características intrínsecas do corpo de prova, como
acabamento superficial, existência de defeitos internos, pontos de corrosão e variáveis metalúrgicas, que caracterizam
certo grau de heterogeneidade das amostras (GARCIA et al., 2012).
O conhecimento da fratura por fadiga é importante, pois de acordo com Callister (2008), ela é a maior causa de falhas
nos metais, representando em torno de 90% de todas as falhas de metais. Os polímeros e os materiais cerâmicos também
são susceptíveis a esse tipo de falha. A fratura por fadiga é catastrófica e traiçoeira, pois ocorre repentinamente e sem que
haja qualquer aviso prévio.
Os principais fatores para que ocorra a falha por fadiga dos materiais são: existência de tensões cíclicas ou flutuantes e
o número de ciclos de aplicação da tensão for suficientemente alto para que ocorra a nucleação de microfissuras,
consequentemente, a sua propagação (GARCIA et al., 2012).
Os materiais sofrem fratura quando expostos a cargas cíclicas. A fratura por fadiga do componente em serviço ocorre
em três etapas distintas, de acordo com Garcia et al. (2012):
• Nucleação da fissura: as fissuras se iniciam em regiões de alta concentração de tensão ou em regiões de baixa resistência
local. Os principais fatores que representam os elementos potenciais para a nucleação de fissuras são defeitos de
superfície (ranhuras, pequenas fissuras de usinagem, mau acabamento superficial ou pontos que sofreram deformação
localizada), inclusões, porosidade acentuada, defeitos de solidificação (segregação, concentração acentuada de defeitos
na estrutura cristalina devido a processos de conformação). A presença de defeitos internos (como inclusões e
porosidade) deve reduzir o tempo necessário para a nucleação das fissuras, uma vez que esses defeitos já apresentam a
conduta de concentrar localmente a tensão aplicada.
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•Propagação da fissura: é um fenômeno lento, que ocorre devido à concentração local de tensão causada pelas
imperfeições internas do componente, resulta em uma deformação plástica cíclica causada pela ação de uma
tensão cíclica, mesmo com tensão nominal abaixo do limite elástico. Como consequência direta desse
fenômeno, deve ocorrer uma deformação localizada, favorecendo o crescimento de uma pequena fissura. A
fissura em fadiga avança de forma cíclica, e a cada novo ciclo de tensão, ou etapa de abertura e fechamento,
esse avanço deixa na superfície de fratura marcas características que podem ser observadas com o auxílio
do microscópio eletrônico.
•Falha catastrófica: é um fenômeno rápido. Durante o período de serviço, o componente encontra-se sujeito a
mudanças abruptas de carga de fadiga. Essas mudanças registram-se na macroestrutura da superfície de
fratura através de marcas. Essas marcas apresentam-se curvadas em relação à origem da falha, permitindo,
dessa forma, investigações que conduzem à compressão do início do processo de fratura. Em geral, marcas
mais claras representam uma propagação essencialmente plana, enquanto as marcas mais escuras
correspondem a uma propagação mais tortuosa, com marcas mais rugosas. Assim, podemos afirmar que as
marcas mais claras representam níveis de tensões mais baixos, e as mais escuras, níveis de tensões mais
elevados.
•Na Figura são apresentadas as etapas do processo de fratura por fadiga, sendo a nucleação da trinca
correspondente à etapa de nucleação da fissura (nenhum dano visível nessa etapa), a propagação estável da
trinca corresponde à etapa de propagação da fissura (crescimento da fissura de fadiga em um plano
perpendicular ao da principal tensão de tração), e a propagação instável da trinca corresponde à etapa de
falha catastrófica (rompimento brusco e final da peça). Nessa figura evidencia-se a diferença entre as três
etapas citadas.
Os principais micromecanismos associados à fratura por fadiga são (GARCIA et al., 2012):
• Ruptura com alvéolos (coalescência de microvazios): fratura dúctil e fratura com sobrecarga.
• Clivagem ou quase clivagem: fratura frágil, fratura com sobrecarga.
• Fratura intergranular: fragilização do contorno de grão (por segregação ou precipitação), crescimento subcrítico (tensão-
corrosão ou fragilização por hidrogênio).
Para aumentar a durabilidade das peças em relação à fratura por fadiga, deve-se ter especial cuidado no processo de
fabricação (porosidade e rugosidade superficial) e no processo de usinagem das peças (marcas e ondulaçõespodem aparecer
devido à ferramenta de corte, sendo que essas irregularidades reduzem a resistência à fadiga do material final). Para
aumentar a resistência à fratura por fadiga, é recomendada a realização de polimento da superfície da peça para aprimorar o
seu acabamento e, sempre que possível, evitar ângulos retos, como 45º, que facilitem a propagação das fissuras.
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