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FraturaSeparação do material devido a tensão
aplicada, numa temperatura abaixo do ponto de fusão.
Passos da fratura:•
Formação da trinca•
Propagação da trinca
Dependendo da habilidade do material em deformar plasticamente antes da fratura, dois tipos de fratura pode ocorrer: •
Dúctil•
Frágil.
Fratura dúctil
–
maioria dos metais (não tão frios)•Grande deformação plástica na frente da trinca•Trinca é
“estável”: resiste a tensão adicional •Elevada absorção de energia (tenacidade) antes da fratura
Fratura frágil
–
cerâmicas, gelo, metais frios•Pouca deformação plástica•Trinca “instável”: propaga rapidamente sem um aumento de tensão.•Baixa absorção de energia antes da fratura
A fratura dúctil é
preferida na maioria das aplicações
A.
Muito dúctil:
metais moles (Pb, Au) a temperatura ambiente, polímeros, vidros em alta temperatura.
B.
Fratura moderadamente dúctil: típico para materiais dúcteis.
C.
Fratura frágil: metais frios, cerâmicas.
Fratura dúctil•
Fibrosa•
Taça-cone•
Trinca propaga por cisalhamento•
Ocorre movimento das discordâncias
a)
Formação do pescoçob)
Formação de microcavidadesc)
Coalescência
das cavidades e formação da trincad)
Propagação da trincae)
Fratura
Taça-cone: Alumínio
Fractografia: Por MEVApresenta “dimples”
esféricos que correspondem a micro-cavidades que iniciam a formação da trinca
Fratura frágil•
Brilhante•
Transgranular ou intergranular•
Trinca propaga por clivagem: quebra das ligações atômicas ao longo de um plano cristalino especifico (plano de clivagem)
•
Sem deformação plástica apreciável•
Propagação da trinca é
muito rápida•
Trinca propaga perpendicular a direção da tensão aplicada
Fratura frágil em aço temperado
A.
Fratura transgranular:
Trinca passa através os grãos. A superfície de fratura tem textura facetada devido a diferentes orientações dos planos de clivagem dos grãos.
B.
Fratura intergranular: A propagação da trinca é
ao longo dos contornos de grãos. Os contornos de grãos são mais fracos e geralmente segregam impurezas, etc.
A tensão de fratura em sólidos frágeis está
ligado as forças coesivas entre os átomos, e é
aproximadamente E/10 –
E/10000. Esta tensão pode ser mais baixa em presença de falhas microscópicas (concentradores de tensões), e depende da dimensão, geometria e orientação da micro trinca.
Para trincas longas orientadas perpendicular a tensão aplicada, a máxima tensão perto da trinca é:
σ0
=tensão externa aplicada
ρt
= o raio de curvatura da trinca
a=metade do comprimento da trinca interna e trinca inteira externa.
Trinca concentrador de tensão:
21
02 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛≈
tm
aρ
σσ
Ensaio de impacto(Teste de fratura característica pela alta taxa de deformação)Charpy e Izod: medem a energia requerida de impacto para fraturar a peça, também chamado de tenacidade por entalhe.
Estimativa industrial, detecta diferenças entre materiais que não são observados num ensaio de tração
Transição dúctil-frágil
Quando a temperatura decresce uma material dúctil pode se tornar frágil.
Um metal CFC mantém-se dúctil a temperaturas baixas. Para cerâmicas, esta transição ocorre em temperaturas mais altas que para metais.
A transição dúctil-frágil pode ser medida pelo ensaio de impacto: a energia de impacto necessária para fraturar um material numa estreita faixa de temperatura –
temperatura de transição dúctil-
frágil.
•
A quantidade de energia absorvida no impacto pode ser calculada pelo arco descrito pelo pendulo após ultrapassar o CP. Essa energia é
uma medida da tenacidade e tem relação com a área abaixo da curva txe
•
Um material dúctil com a mesma resistência que um não dúctil requererá
maior energia para romper, sendo mais tenaz.
•
O principal emprego do ensaio Charpy
na engenharia está
na seleção de materiais resistentes a fratura frágil, através das curvas de temperatura de transição dúctil-frágil.
•
O ensaio Charpy
não é
indicado para projetos pois não apresentam valores de tensões e tamanho de trincas.
•
Nos metais a transição ocorre entre 0,1 a 0,2 da T. Fusão, e as cerâmicas entre 0,5 a 0,7.
•
Quanto menor a temperatura de transição maior a tenacidade
Fatores que afetam a temperatura de transição
Elementos de liga no aço Mn, C, P, O: ↑
a T. transiçãoNi: ↓
a T. transição
Tamanho de grão ↓
grão
↓
T. transição
Envelhecimento por têmpera ↓
a T. transição
Envelhecimento por deformação a frio ↓
a T. transição
O estudo de como o material fratura é
conhecido como mecanismo da fratura, e a resistência do material
a fratura é
conhecido como tenacidade a fratura.
A tenacidade é
medida por meio do módulo de tenacidade, que é
a quantidade de energia absorvida por unidade de volume no ensaio de tração, até
a fratura ou até
quando o material resistir sem a ruptura.
Importância da tenacidade: projetar peças que devam sofrer tensões estáticas ou dinâmicas acima do limite de escoamento, em presença de trincas, sem se fraturar.
Critério de projeto com dano tolerado
•
Conhecer a mecânica de fratura (linear) dos materiais•
Detecção de defeitos nos materiais usando ensaios não destrutivos
Tenacidade à
fratura
K Y ac = σ π .
K Y aIc = σ π .
Kic diminui com o aumento da taxa de deformação e com a diminuição da temperatura
•
Os metais cfc
e a maioria dos que possuem estrutura hexagonal compacta , possuem fratura dúctil.
•
As ligas ccc podem variar quanto ao tipo de fratura (frágil em baixa temperatura e dúctil em alta).
Al, Cu, Ni, Ag (12 sist. deslizamentode disc.→cisalh. e desliz. cruzado
Cerâmicas
Fe, Cr, Mo, W, V -
(ss)clivagem
Dureza
X
Tenacidade
Os materiais de elevada resistência possuem tenacidade tão baixa que a fratura frágil pode ocorrer para tensões nominais ainda no regime elástico a todas as temperaturas e taxas de deformação, quando existem trincas presentes em sua estrutura.
↑
Dureza
↓
ductibilidade
↓
tenacidade
↑
Dureza
↑
ductibilidade
↑
tenacidade
↓
Dureza
↑
ductibilidade
↓
tenacidade