tenacidade a fratura

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Page 1: Tenacidade a Fratura
Page 2: Tenacidade a Fratura

Conforme visto em aulas anteriores, aresistência à fratura de uma peça comuma trinca é estudada pela Mecânica daFratura.

A propriedade mais importante neste tipode estudo é a tenacidade à fratura, quepode ser avaliada por diversosparâmetros.

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Presença de Trinca

Resistência à Fratura

Mecânica da Fratura

Tenacidade à Fratura

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Materiais tenazes absorvem uma significativaquantidade de energia durante o processo defratura.

Apresentam uma grande área sob a curvatensão-deformação.

Em ensaios de mecânica da fratura (corposde prova com trinca aguda) ocorre adissipação de parte da energia no processode fluxo plástico e fratura na ponta de umatrinca durante sua propagação.

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Os principais parâmetros utilizados naavaliação da tenacidade à fratura de ummaterial são:• A energia absorvida em ensaios de impacto• A temperatura de transição• A tenacidade à fratura em tensão plana (KC)• A tenacidade à fratura em deformação plana (KIC)• O deslocamento de abertura da ponta da trinca crítico

(CTODC)• O parâmetro crítico em termos da integral J (JIC).

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Além destes parâmetros, ainda existe aFratura Assistida pelo Meio (Environment-Assisted Cracking - EAC), que trata dosmecanismos de fratura em condições de:• Corrosão sob tensão• Fragilização por hidrogênio• Fragilização por metal líquido

Para estes casos o parâmetro usual é oKIEAC.

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A tenacidade à fratura dos materiais éinfluenciada por dois tipos de fatores. Sãoeles:

Fatores associados ao material

Fatores externos ao material

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Mecanismos de endurecimento, tal comotratamentos térmicos, que aumentam aresistência mecânica do material tendem areduzir a tenacidade à fratura.

Adição de elementos de liga podemmelhorar esta relação, ou seja, acomposição da liga também é umimportante fator na tenacidade à fratura.

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Tamanho de grão: Com a diminuição doseu tamanho, de maneira geral ocorre umaumento da resistência mecânica e umapequena diminuição na tenacidade àfratura.

Estrutura cristalina: Também afeta osvalores de tenacidade à fratura.

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Anisotropia: Decorrente da conformaçãoplástica, influencia significativamente atenacidade à fratura. Dependendo doplano de orientação da trinca, valoresdiferentes de tenacidade à fratura podemser obtidos.

A norma ASTM E1823 padroniza asorientações de retirada de corpos de provapara algumas geometrias.

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Temperatura

Taxa de deformação

Severidade do entalhe (estado de tensão)

Meio Ambiente

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No geral, o aumento da temperatura tendea diminuir a resistência mecânica eaumentar a tenacidade à fratura domaterial, sendo que esta tendência podeser alterada por fenômenos metalúrgicoscomo a precipitação, a fragilização porrevenido, entre outros.

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Influência da temperatura no ferro puro:

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Quando comparada à temperatura, a taxade deformação atua de maneira inversa natenacidade à fratura de um material, ouseja, com seu aumento, ocorre adiminuição da tenacidade à fratura domaterial.

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T = σ e tenacidade ε = σ e tenacidade

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Influência da temperatura e da taxa dedeformação no limite de resistência àtração do cobre:

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A severidade do entalhe (estado de tensãona ponta do entalhe) é de extremaimportância nos ensaios de tenacidade àfratura, sendo que estes ensaios devemapresentar a maior severidade possível.

Altos níveis de severidade dependem de 3fatores: do raio da raiz do entalhe, daespessura do corpo de prova e docomprimento da trinca.

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O raio da raiz do entalhe deve ser o menorpossível (tender a 0, ou seja, trincaaguda).

Esta condição é obtida através de umcarregamento cíclico de fadiga a partir deum entalhe previamente determinado.

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A espessura do corpo de prova (no casodo ensaio de KIC), deve sersuficientemente grande para se tercondições de deformação plana. Issoporque a o valor de KIC depende de umaespessura mínima, que deve obedecer arelação:

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O comprimento da trinca também deveobedecer a um valor mínimo, que é dadopela equação:

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Existem várias normas que especificamprocedimentos e condições de ensaiospara se obter os parâmetros detenacidade à fratura.

As principais são resumidas na seqüência.

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ASTM E399 - Plane-Strain FractureToughness of Metallic Materials: Trata dadeterminação de KIC de materiaismetálicos, que é o parâmetro básico damecânica da fratura elástica linear.

ASTM E1290 - Crack Tip OpeningDisplacement (CTOD) Fracture ToughnessMeasurement: Trata da determinação dodeslocamento de abertura da ponta datrinca crítico.

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ASTM E1820 – Standard Test Method forMeasurement of Fracture Toughness:Reúne em uma única normaprocedimentos para a determinação dosparâmetros KIC, CTODC e JIC.

BS 7448 Partes 1, 2 e 4: Normasbritânicas que determinam procedimentospara a obtenção dos mesmos parâmetros(KIC, CTODC e JIC).

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O ensaio de tenacidade à fratura emdeformação plana (ensaio KIC) é um dosmais utilizados na determinação datenacidade à fratura dos materiais.

Por este motivo, o mesmo será explicadodetalhadamente, sendo que métodossimilares são utilizados para adeterminação dos outros parâmetros detenacidade à fratura.

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Corpo de prova:

Possui uma trinca aguda obtida por fadigana raiz de um entalhe previamenteusinado.

Pode possuir várias geometrias diferentes,sendo as principais mostradas na próximafigura.

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Entalhe:

Para a obtenção da pré-trinca de fadiga,existem algumas configurações deentalhe, que devem obedecer a algunscritérios que são mostrados na figuraadiante.

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O carregamento cíclico para a obtençãoda pré-trinca também deve obedecer aoscritérios:

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A obtenção de KIC envolve a medição dacarga e do deslocamento de abertura daboca da trinca (CMOD – Crack MouthOpening Displacement).

Normalmente a carga é medida pela célulade carga da própria máquina de ensaio,enquanto que o CMOD é medido com oauxílio de um extensômetro (clip-on-gage)adaptado à boca do entalhe, conformemostra a figura da seqüência.

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Existem 3 tipos de curva obtidos nesteensaio:

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A partir da curva, a determinação de KIC éfeita a partir do seguinte procedimento:

Traça-se, sobre a curva, uma reta cominclinação (P/v)5 = 0,95*(P/v)0, onde (P/v)0é a inclinação da tangente OA da partelinear inicial da curva. Com isso, a cargaP5 é definida a partir da intersecção dareta (P/v)5 com a curva.

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Com P5 determina-se PQ:• Nas curvas do tipo I, PQ é igual a P5• Nas curvas do tipo II, PQ é igual a PMAX antes da

ocorrência do primeiro “pop-in”, associado a umainstabilidade da curva carga-deslocamento

• Nas curvas do tipo III, PQ é igual a PMAX

Calcula-se a razão PMAX/PQ. Esta razãonão deve ser superior a 1,10. Se istoocorrer o ensaio de KIC não é válido.

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Calcula-se KQ da seguinte forma:• Para corpos de prova de flexão em 3 pontos:

• Para corpos de prova de tração compactos:

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Nas equações anteriores temos:

• PQ é a carga obtida na curva

• B é a espessura do corpo de prova

• S é o espaçamento do dispositivo de aplicação dacarga do ensaio de flexão

• W é a largura do corpo de prova

• a é o comprimento da trinca

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As tabelas da seqüência mostram valoresde f(a/W) para várias razões de (a/W) paracorpos de prova de flexão em 3 pontos ede tração compactos.

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Por fim, o valor de KQ será igual a KIC casoo seguinte critério seja satisfeito:

O ligamento (W-a) for igual ou superior a2,5*(KQ/σe)2, que equivale ao critério deespessura mínima Bmin = 2,5*(KQ/σe)2.

Caso este critério não for satisfeito, oensaio não é válido, sendo necessário umcorpo de prova de maior espessura.

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O valor de KIC determinado segundo oprocedimento citado significa a resistênciaà propagação da trinca, com condiçõesseveras de triaxialidade de tensões emmeio neutro.

Se o valor de KI não ultrapassar KIC nãohaverá propagação de trincas.

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A propagação da trinca com níveis de KIinferiores a KIC só é possível quando há aocorrência de:

• Carregamento cíclico (fadiga)• Corrosão sob tensão (fratura assistida pelo meio)• Irradiação de nêutrons• Combinações das condições anteriores

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A tabela da seqüência mostra valores deKIC para várias ligas metálicas, cerâmicase polímeros de importância emengenharia.

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