Fadiga livro Met. Fís. e Mec. Apl1 (1)
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de tensões. Aspectos microscópicos: \u2022 grande mobilidade de discordâncias - flexibilidade de deslizamento; \u2022 criação de microcavidades, a partir da quebra de inclusões decoesão interfacial partícula-matriz; \u2022 quando a capacidade para encruamento é exaurida, o empescoçamento inicia-se, e as tensões triaxiais resultantes causam a extensão lateral das microcavidades, ocorrendo o coalescimento e a formação de uma trinca central. Fractografia: \u2022 superfície com cavidades hemisféricas ou parabólicas, conhecid como dimples; \u2022 tipos de ruptura: normal, por cisalhamento, por rasgamento; \u2022 fratura tipo: \u201ctaça-cone\u201d ou \u201ccopo-cone\u201d; \u2022 fratura tipo: \u201caresta de faca\u201d. A Figura 2.13 ilustra esquematicamente as etapas de iniciação, crescimento e coalescência de microcavidades no vértice de uma trinca pré-existente. Quando uma estrutura trincada é carregada, o estado de tensão e deformação no vértice da trinca torna-se suficiente para nuclear vazios. Os vazios crescem quando ocorre o embotamento de trinca, e eventualmente eles são unidos a uma trinca principal. Com a continuidade deste processo, tem-se o crescimento de trinca. Cap. 2 \u2013 Fratura dos metais 391 Figura 2.13 - Representação esquemática do mecanismo de crescimento de trinca para uma fratura dúctil. As figuras 2.14 (a,b,c,) e 2.15 (a,b) apresentam a formação de uma superfície de fratura dúctil sob diferentes modos de aplicação de cargas. Nota-se na Figura 2.14 (a) que os vazios formados (dimples) apresentam aspecto equiaxial (são chamados de dimples normais) em função do modo de carregamento. No entanto, na Figura 2.14 (b,c) eles aparecem alongados. A Figura 2.15 mostra dimples obtidos por cisalhamento, em diferentes aumentos. Quando uma trinca cresce, em um material, por coalescimento de microcavidades, a trinca exibe um efeito de tunelamento (tunneling), onde ela cresce mais rápido no centro do material, devido ao estado triaxial de tensão desenvolvido nesta região. Esta variação de tensão pode produzir a zona cisalhante (shear lips), onde o crescimento da trinca próximo à superfície ocorre com um ângulo em torno de 45o em relação ao eixo de carregamento, como mostrado na Figura 2.16. Na prática, os metais geralmente contêm uma grande quantidade de fases dispersas. Estas podem ser de partículas muito pequenas (1 a 20 nm) tais como o carbonetos de elementos de liga, partículas de tamanho intermediário (50 a 500 nm) tais como compostos de elementos de liga (carbonetos, nitretos, carbonitretos) em aços, ou partículas dispersas tais como Al2O3 (alumina) em alumínio e ThO2 em níquel. Se partículas de uma segunda-fase são frágeis e a matriz é dúctil, elas não serão capazes de acomodar a grande deformação plástica da matriz, e conseqüentemente estas partículas serão fragilizadas no início da deformação plástica. Quando a interface partícula/matriz for muito fraca, a separação interfacial ocorrerá. Em ambos os casos, microcavidades são nucleadas a partir destes sítios. Geralmente, os vazios são nucleados a partir de pouca percentagem de deformação plástica, enquanto que a separação final pode ocorrer em torno de 25%. As microcavidades crescem com o deslizamento, e o material entre as cavidades pode ser visualizado como uma pequena parte do material sob esforço trativo. O material entre os vazios sofre estricção em uma escala microscópica, onde os vazios são unidos, promovendo o fenômeno de coalescimento. Este mecanismo de iniciação, crescimento e coalescência de microcavidades dá uma superfície de fratura com aparência característica. MÓDULO QUATRO \u2013 Resistência Mecânica 392 Figura 2.14 - Representação esquemática de como os dimples se apresentam em função do tipo de carregamento. (a) (b) Figura 2.15 - Representação esquemática de mecanismos de coalescimento de microcavidades (ruptura normal; ruptura por cisalhamento; ruptura por rasgamento). Cap. 2 \u2013 Fratura dos metais 393 Figura 2.16 - Representação esquemática de como ocorre de fratura de um material com a evolução do trincamento. A Figura 2.17 ilustra a formação da fratura do tipo \u201ctaça-cone\u201d, que é comumente observada em CPs de tração. O empescoçamento produz um estado de tensão triaxial no centro do CP, que promove nucleação e crescimento de vazios a partir das partículas maiores. Para esforços maiores, os vazios coalescem, resultando em uma fratura, onde em função do alívio de tensões na superfície tem-se uma região característica com aproximadamente 45o em relação ao eixo de tração. A região central da superfície de fratura apresenta uma aparência fibrosa, em baixos aumentos, mas a outra região é relativamente plana. Figura 2.17 - Representação esquemática de uma fratura do tipo \u201ctaça- cone\u201d O termo \u201cductilidade\u201c significa um material que apresenta capacidade de sofrer deformação plástica. Ductilidade não é uma propriedade fundamental do material, pois a deformação plástica antes da fratura é uma função do estado de tensão, da taxa de deformação, da temperatura, meio ambiente, e da história do material. Por exemplo, um aumento no grau da triaxialidade de tensão resulta em um decréscimo na ductilidade do material. Isto pode ser observado em materiais que apresentam \u201cgrandes\u201d espessuras, onde internamente desenvolve-se o estado plano de deformação. A temperatura e a taxa de deformação MÓDULO QUATRO \u2013 Resistência Mecânica 394 apresentam efeitos contrários. Uma \u201calta\u201d temperatura (ou uma \u201cbaixa\u201d taxa de deformação) possibilita uma \u201calta\u201d ductilidade; no entanto, uma \u201cbaixa\u201d temperatura (ou \u201calta\u201d taxa de deformação) proporciona uma \u201cbaixa\u201d ductilidade. 2.2.2 \u2013 Fratura Semifrágil É o tipo de fratura com características intermediárias entre dúctil e frágil. A tabela 2.2 apresenta quais são as suas principais características. Tabela 2.2 \u2013 Principais características de uma fratura semifrágil. Aspectos macroscópicos: \u2022 zona fibrosa \u2022 zona radial \u2022 zona cisalhante Aspectos microscópicos: \u2022 ruptura de ligações e mobilidade de discordâncias; \u2022 clivagem numa escala bem pequena e em planos não bem definidos. Fractografia: \u2022 características intermediárias entre as fraturas dúctil e frágil. 2.2.3 \u2013 Fratura Frágil É o tipo de fratura que ocorre sem deformação plástica macroscópica, sob tensões inferiores às correspondentes ao escoamento generalizado, e com velocidade de propagação de trinca bem elevada. A Figura 2.18 e 2.19 mostram dois casos deste tipo de fratura. A tabela 2.3 descreve as principais características desta fratura. Tabela 2.3 \u2013 Principais características de uma fratura frágil. Aspectos macroscópicos: \u2022 zona radial: início e propagação instável da trinca \u2022 zona de cisalhamento a 45o Aspectos microscópicos: \u2022 ruptura de ligações - clivagem -, sem deformação plásti macroscópica; \u2022 ocorre por uma separação direta ao longo dos planos cristalográficos específicos, por um simples arrancamento de ligações atômicas. Fractografia: \u2022 facetas de clivagem: numerosos platôs, normalmente mostrando um alto grau de perfeição geométrica e refletividade; \u2022 \u201cmarcas de rios\u201d (river patterns): resultantes do crescimento de trincas simultaneamente em dois ou mais planos cristalográficos paralelos, juntando-se e formando-se degraus; \u2022 \u201clinguas de clivagem\u201d (tongues): formadas quando a trinca propaga-se, por uma distância relativamente curta, ao longo de um plano principal de clivagem (interface macla-matriz); \u2022 fratura transgranular: a trinca propaga-se pelo interior de cada grão; \u2022 fratura intergranular: fratura de baixa energia, com a trinca percorrendo os contornos de grão do material, principalmente devido a presença de partículas de segunda-fase. Cap. 2 \u2013 Fratura dos metais 395 Figura 2.18 \u2013 Macrofractografia de um aço SAE 1050 com fratura frágil na superfície externa; carregamento: impacto. Figura 2.19 \u2013 Fratura frágil de um suporte de panela de metal