Apresent Cap11 Mecfratura

7/14/2019 Apresent Cap11 Mecfratura

http://slidepdf.com/reader/full/apresent-cap11-mecfratura 1/17

I ntr odução a Mecânica da Fratura

Surgiu em função dos valores observados nos ensaios serem menores que os calculados

Necessidade de entender o comportamento dos materiais sobre tensão na presença de defeitos;

Presença de tais defeitos potencializam as tensões nas regiões próximas dos defeitos

(fator de concentração de tensão - K)

A propriedade Tenacidade à Fratura reflete a resistência do material à propagação de uma trinca;

Também permite melhorar a relação: aumento de resistência x diminuição da tenacidade;

Padronização de ensaios mecânicos que permitissem determinar as propriedades de tenacidade;

PP

defeito P

defeito

R e s i s t ê n c i a M e c â n i c a

Tenacidade



Iniciou-se com a Teoria de Griffith (1920 - vidros):

● Estabeleceu relações entre a amplificação da σo (tensão aplicada) x a (comprimento e geometria da trinca):

● Considerou espessuras grandes, comparativamente ao comprimento da trinca, propondo as eqs.:

E = Mód. Elasticidade [Pa];

s = En. Sup. Específica [Pa.m];

ou a = ½ do compr. trinca [m]; e

= Coeficiente de Poisson.

● Não considerou a deformação plástica sofrida pelo material (aplicadas somente a materiais cerâmicos).

●

Trinca se propaga quando Tensão Crítica (c ) na ponta do defeito ultrapassa e

a.

.E.2 sc

)1.(a.

.E.22

sc

E

a.. 2o

Irwin (1960) introduziu o termo relacionado à energia de deformação plástica (aplicadas aos metais):

= força de extensão da trinca ou taxa de dissipação de

energia de deformação elástica, propriedade do

material possível de ser obtida em laboratório, e onde

para um valor maior que o crítico (c) a trinca se propagará.

Atualmente: Influência de parâmetros como T.T., T, taxa de deformação, microestrutura na fratura;

Estudo dos micromecanismos de fraturas observados nos diversos materiais;

Caracterização de novos materiais e especificação de projeto ou cliente.



Ensaio de Tenacidade à Fratura

DEFINIÇÃO:

Aplicação de cargas de tração ou flexão em C.P. entalhado (concentração de tensões);

Comportamento do material na presença de pequenos defeitos e baixa taxa de deformação;

Estudo das tensões que causam propagação ou não das trincas e conseqüente fratura;

Fornece dados quantitativos sobre a tenacidade a fratura do material;

Determina a σMáxima admissível de trabalho ou o máximo tamanho de trinca no material;

Sofre influência: T, microestrutura, propriedades do material e entalhe (intensidade das tensões);

Carga

Abertura da ponta

da trinca

C a r g a [ N

, P a ]

COD [mm]

MÁQUINA DE ENSAIO:

Qq. máquina empregada nos ensaios

de tração ou flexão

Durante o ensaio registra-se

Carga (P) em função de

deslocamento (CTOD).

Fratura

Fratura



CORPO DE PROVA:

Usinados em duas configurações básicas:

Compacto:Tração ou Flexão monotônica, contendo uma Pré-Trinca de fadiga

mais utilizado em materiais Dúcteis

Chevron: raiz da trinca é considerado o vértice do triângulo (tração)

mais empregado para materiais Frágeis (sem trinca)

PARÂMETROS DE TENACIDADE A FRATURA POSSÍVEIS DE SEREM DETERMINADOS:

CTOD: (“crack- tip opening displacement”): ASTM E 1290

determinação da transição dúctil-frágil em função da variação de T em baixas ε

KIC: (tenacidade a fratura em deformação plana) ASTM E 399placas grossas (sem deformação na direção Z : z = 0)

K-EE: (tenacidade a fratura pela metodologia da energia equivalente) ASTM E 992

usado qdo os critérios de validade de KIC não são possíveis (CPs pequenos)

Integral J: (tenacidade a fratura em tensão plana) ASTM E 813

indicado para materiais dúcteis e placas finas (deformação plástica pronunciada: z = 0)

Z

Y



Regiões mais distantes da ponta da trinca: estado uniaxial de tensões (x e z nulos)

Regiões próximas da ponta da trinca, tem-se um estado triaxial de tensões

)(f .r ..2

K xx

)(f .

r ..2

K yy

xyxy f .

r ..2

K

Dificuldade recai z , que pode ou não ser nula em função da espessura do corpo, levando a estadosplanos de tensões (z = 0) ou estados planos de deformações (z = 0).

Chapas finas, onde z não aumenta apreciavelmente na direção da espessura, tem-se Tensão Plana.

Chapas grossas (triaxialidade de tensões), tem-se Deformação Plana: ).( yxz

y x

z

DIVISÃO DA MECÂNICA DA FRATURA:

Tensão Planaz = 0 z # 0

Deformação Planaz = 0 z # 0

Campo de σz

z



Linear – Elástica: propagação instável da trinca (fratura frágil)

(Kc, CTOD) pequena deformação plástica na região próxima da ponta da trinca.

principais parâmetros determinados

Tenac idade à Fra tu ra em Deform ação Plan a ( K IC , CTOD ) : z = 0

C.P. entalhado com pré-trinca causada por fadiga e solicitado a tensões de carregamento em

tração ou flexão.

ASTM E 399 (restrição em relação a espessura do CP)

Linear-ElásticaElasto-Plástica



FATOR DE INTENSIDADE DE TENSÃO (K):

Define a magnitude do campo de

concentração de tensão causada por uma

determinada trinca

Fortemente dependente da configuração

geométrica da trinca e da carga aplicada

Valor crítico é usado para especificar a fratura frágil

Chamado de tenacidade à fratura (Kc)

Para algumas configurações básicas emateriais, os valores são plotados em gráficos

)a,(f K

mMPaa...YK c

Fator de Intensidade de Tensãoteórico para 3 configurações

Função da posição e dimensões do entalhe (Y)



Materiais apropriados devem obedecer relações do tipo:

onde: o é a tensão de projeto; e Y é o fator adimensional correspondente à configuração do c.p. e da trinca (tabelado).

Para o modo I define KIC ( tenacidade a fratura em deformação plana – placa grossa )

Materiais Frágeis: baixos valores de KIC

Materiais Dúcteis: altos valores de KIC

materialdoK a...YK coc

Análise de Tensões nas Trincas:

Modo I (abertura ou tração) é o mais encontrado na prática de engenharia KIC.

Modo II (deslizamento ou cisalhamento puro)

Modo III (modo de rasgamento).



OBJETIVOS:

Consiste em determinar K para o projeto e comparar com KC crítico (característico do material)

determinado por ensaios normalizados em laboratório [ASTM].

Determinar a máxima tensão admissível em função do comprimento da trinca ou o máximo

tamanho de trinca admissível para um nível de tensão, conhecendo o valor da tenacidade a fratura

KC do material.

a..y

K ICmáx

2

ICmáx

y.

K .

1a

a

K IC = K

K > K IC

K < K IC

Ocorre propagação

da trinca

Não há propagação

da trinca



Resultado do ensaio (KIC):

Carga aplicada x deslocamento da abertura do entalhe.

Carga igual a um incremento aparente de 2% no comprimento

da trinca é estabelecida a partir de um desvio da região linear,

sendo KIC calculado para essa carga PQ

Ex: CP tração retangular

O valor é a resistência à propagação da trinca em

triaxialidade de tensões, ambiente neutro e níveis a = 2%.

Quando comparadas com o tamanho da trinca e as dimensões do corpo-de-prova, esse resultado

pode ser considerado como o menor valor limite para a tenacidade à fratura em deformação plana.

Obedecer a relação entre a espessura do corpo-de-prova e o comprimento da trinca para que o

ensaio possa ser validado segundo a expressão:2

e

ICK .5,2)t(

a..

t.w

P.YK

QIC

C a r g a [ N ,

P a

]

COD [mm]

Fratura

PQ

5 %



Verificação da Validade dos Resultados:

Calcular um resultado condicional (KQ) obtido graficamente

Assim, se KQ satisfaz à Equação, estabelece-se KIC = KQ .

Segundo a norma:

constrói-se uma reta secante partindo da origem, defasada 5% de inclinação da parte linear

inicial da curva plotada, correspondendo a aproximadamente 2% de aumento no

comprimento da trinca para ensaios em tração ou flexão;

P5 é definida como a carga da interseção da secante OP5 com a curva;

a carga P5, é utilizada para determinar KQ ,é determinada como:

- se todas as cargas da curva desde a origem até a interseção com a secante forem menores que P5,

então considera-se P5 = PQ ( tipo I da Figura);

- no entanto, se existirem cargas maiores que precedem P5 , como nos tipos II e III, então a carga

máxima passa a ser PQ.

Se Pmáx / PQ < 1,1 ; as condições são aceitáveis. Assim, se KQ satisfaz à Equação, então

KQ = KIC , caso contrário, deve-se ensaiar um corpo-de-prova maior ou com um entalhe mais severo

para atender às condições para validação do ensaio.



Projeto de Componentes Mecânicos Baseado na Teoria da Mecânica da Fratura

Ao projetar-se determinado componente:

- decidir quais das variáveis serão fixadas- quais poderão sofrer mudanças e serem acompanhadas ou sujeitas ao controle do projeto.

2 fatores fixados, terceiro pode ser determinado

Conhecendo-se o material utilizado ( Kc), o modo de solicitação, e o comprimento da trinca (a),o nível de tensão crítica admissível pode ser calculado para o Modo I por:

Se o nível de tensão é conhecido, o máximo tamanho da trinca será dado por:

.

a..y

K ICc

2IC

cy.

K .

1a

Exemplo típico:Tubulação compressão interna Pe com trincainterna decomprimento2a

e

2IC

2max

K .

r ..Y

2 p



PROCEDIMENTO DE ENSAIO (KIC):

» Norma técnica ASTM E 399 - 90

» Fixação do c.p.

» Abertura útil do c.p.

» Nucleação da pré-trinca: carregamento, tensões e ciclos» Deformação do c.p.

» Superfície isenta de defeitos

» Velocidade de ensaio

» Direção de laminação (ensaia-se em várias direções)

» Dados de relatório:

identificação c.p. direção de laminação

dados da pré-trinca velocidade

aspecto da fratura plano de fratura

Elasto – Plástica: início da propagação estável da trinca na região onde ocorre deformação

( Integral J ) plástica, sendo fortemente influenciada pelas propriedades do material.

Norma (ASTM E 813).

Tenac idade à Fra tu ra em Tensão P lan a (K c ): z = 0 (Maiores detalhes: Hertzberg, 1994)

1a letra : laminação2a letra : trinca





Melhorar as propriedades dos materiais em relação à tenacidade à fratura:

Tamanho dos defeitos: reduzindo melhora a tenacidade à fratura;

Ductilidade: materiais dúcteis podem deformar-se na região próxima da ponta da trinca,impedindo o seu crescimento. Aumentando-se a resistência do material

usualmente diminui-se a ductilidade, acarretando diminuição na tenacidadeà fratura;

Espessura: materiais espessos têm uma menor tenacidade à fratura que delgados;

Taxa de aplicação da carga: onde valores altos reduzem a tenacidade à fratura;

Aumento da temperatura: ocasiona aumento nos valores de KIc;

Tipos de aparência da superfíciede fratura observada após realização

do ensaio de tenacidade à fratura



Superfície de fratura de um CP ensaiado a 24oC – Inox duplex

Presença de dimples – fratura dúctil

Superfície de fratura de um CP ensaiado a -50oC – Inox duplex

Presença de facetas de clivagem – fratura frágil


Regiões distintas: pré-trinca, propagação estável, instável da trinca

Superfícies de fraturas de um CPs ensaiados a tenacidade a fratura-50 oC e ao impacto -90oC – Inox duplex





Superfície de fratura de um CP ensaiado a -50oC – Inox duplex


Documents

Apresent Cap11 Mecfratura