aula02 fratura dos materiais

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Fratura dos Materiais Noções de Mecânica da Fratura

PMT 20 -Ciência dos Materiais

Prof. Hélio Goldenstein Prof. Cláudio G. Schön

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Escola Politécnica -USP PMT -20

Roteiro da aula uFratura dos materiais –Fratura dúctil em metais

–Fratura frágil por clivagem

–Fratura frágil intergranular

–Fratura frágil em materiais amorfos uNoções de mecânica da fratura –Concentradores de tensão

–Critério de Griffith

–Tenacidade à fratura

–Distribuição de Weibull uFratura por fadiga uMecanismos de tenacificação em cerâmicas e polímeros

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Fratura dos Materiais

Fratura é a separação de um corpo em duas ou mais partes quando submetido a um esforço mecânico.

Fraturadútilocorre apenas após extensa deformação plástica e se caracteriza pela propagação lenta de trincas resultantes da nucleação e crescimento de microcavidades.

Fratura frágilocorre pela propagação rápida de trincas, acompanhada de pouca ou nenhuma deformação. Nos materiais cristalinos ocorre em determinados planos cristalinos chamados planos de clivagem ou ao longo dos contornos de grão.

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Fratura dúctil (colapso plástico) uNa ausência de heterogeneidades microestruturais que nucleiem uma trinca, a estricção prossegue até que a seção do corpo se anule ®Colapso plástico

(a)Representação esquemática do desenvolvimento do colapso plástico em um metal dúctil (b)Amostra monocristalinade cobre de alta pureza que se rompeu por colapso plástico

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Fratura dúctil por coalescimento de microcavidades uEm um ensaio de tração de material dútil, após a estricção, formam-se micro-cavidades em heterogeneidadesda microestrutura (por exem- plo, inclusões). Continuando a deformação estas microcavidades coalescempermitindo a propagação da fratura até o perímetro externo do corpo de prova.

uA observação detalhada da superfície de fratura com lupa ou microscópio eletrônico de varredura revela a presença de alvéolos (“dimples”) uO colapso plástico se desenvolve nas fronteiras das microcavidades

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Fratura frágil por clivagem uA fratura frágil em geral é aproximadamente perpendicular à tensão de tração aplicada e produz uma superfície relativamente plana e brilhante.

uNos materiais cristalinos corresponde à quebra sucessiva das ligações atômicas ao longo de um plano cristalográfico característico, chamado plano de clivagem.

uEste modo de fratura é característico de metais que apresentam algum impedimento para o escorregamento de discordâncias ®alta resistência mecânica

Clivagem em aço Maraging 300MClivagem em cerâmica (TiB2)

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Fratura frágil intergranular uOcorre quando o contorno de grão apresenta resistência mecânica menor que a matriz ¬Precipitados frágeis no contorno ou estruturas cristalinas complexas uA trinca “caminha”ao longo dos contornos de grão, revelando o seu formato tridimensional

Fratura intergranular em açoFratura intergranular em alumina com 9,4% de pureza

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Fratura frágil em materiais amorfos uDois estágios: nucleação e propagação da trinca fibifurcação da trinca

(a)Representação esquemática dos processos de nucleação e de propagação da trinca em um material cerâmico. (b)Na experiência ao lado um martelo atingiu a placa espessa de vidro com velocidades diferentes (V1<V2<V3<V4). Nota-se o aumento da taxa de bifurcação com o aumento da energia cinética transferida.

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Fratura frágil em materiais amorfos

(a)Aspecto da fratura em uma amostra de poliéster com elevada taxa de ligações cruzadas. (b)Representação esquemática da superfície de fratura indicando a nomenclatura utilizada.

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Mecânica da Fratura

Ramo da Ciência dos Materiais que busca a compreensão dos mecanismos da fratura, quantificando as relações entre as propriedades dos materiais, tensões aplicadas, defeitos que induzem trincas e mecanismo de propagação das trincas

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Concentradores de tensão uIrregularidades na forma de um componente perturbam o campo de tensão de um componente, amplificando o mesmo em suas proximidades ®concentradores de tensão

–Exemplos de concentradores de tensão: Riscos, entalhes, cantos vivos, mudanças de seção no componente

A figura ao lado representa esquematicamente o efeito de um entalhe sobre o campo de tensões de um componente submetido à tração. Note que a separação entre as linhas diminui nas proximidades da ponta do entalhe, indicando que a intensidade da tensão é maior neste ponto.

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Concentração de tensões

A tensão teórica necessária para romper as forças de ligação entre os átomos é da ordem de E/10 (E é o módulo de rigidez).

Medidas experimentais fornecem valores entre E/10.0 e E/100. Para explicar esta discrepância Griffith sugeriu que defeitos no material agem comomicrotrincas intensificando localmente a tensão microscópica aplicada. Um defeito elíptico de comprimento 2a e raio da ponta rt , a tensão aplicadas0dáorigem a uma tensão sm na ponta do defeitotal que:

ssm=2 ss0(a/ rrt )1/2

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O critério de Griffith uQuando uma trinca de comprimento 2a se forma, a tensão elástica agindo sobre o material relaxa liberando uma energia UE=(p.a2.s2)/E (para uma espessura unitária da amostra); em compensação édespendido um trabalho de criação de duas novas superfícies livres de US=4.a.g, onde géa energia de superfície. A energia total éUT=UE+ US uGriffith propõe que a trinca cresce espontaneamente apenas se um aumento infinitesimal da na trinca provocar uma variação nula ou negativa na energia a ela associada, ou seja:

dUT/da = d(UE+ US)/da = 2 (p.a2.s2)/E +4 g= 0 s s=(2 ggE/p.a)1/2 uo critério de Griffith pressupõe que o raio na ponta da trinca seja fino o suficiente para que a tensão local exceda a energia de coesão do material

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Tenacidade à fratura

Existem três geometrias de abertura de trinca . A mais fácil de ser entendida e tratada é o modo I.

Para o modo I e utilizando hipóteses de comportamento linearmente elástico (hookeano), pode-se obter um fator de intensificação de tensões K relacionando a tensão aplicada ssao comprimento 2ade uma trinca pré-existente onde Y é um parâmetro adimensional que depende do tamanho e geometria do sistema.

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Tenacidade à fratura

Se a tensãossfor a tensão crítica ssCpara propagação de uma trinca de Griffith, então teremos um fator de intensificação da tensão crítica:

KIC= Y ssC(p.a)1/2 (no modo I de solicitação). Para corpos de prova suficientemente espessos, o

KIC éuma constante que depende apenas do material, chamada de

“Tenacidade àFratura no modo plano de deformação”. Sua unidade éMPa.

ssC<KIC /Y. (p.a)1/2 ou

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Fratura frágil de cerâmicas uVale a tenacidade à fratura em estado plano de deformação

KIC= Y ssC(p.a)1/2 uEnsaio mecânico típico éa flexão em três pontos

Tensão de ruptura (máxima) no ensaio de flexão em três pontos para secções circulares e retangulares

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Análise estatística do processo de fratura uComo visto, a tensão de ruptura de um material frágil depende do tamanho do defeito crítico pré-existente.

uO tamanho dos defeitos pré-existentes segue uma distribuição estatística (dada pela probabilidade de um defeito de dimensão a existir em um dado volume do material) uLogo: se ensaiarmos n amostras do material frágil iremos obter uma distribuiçãode valores para a tensão de ruptura ®distribuição de Weibull

Representação esquemática da distribuição de Weibull para a probabilidade de fratura de um corpo em função do nível de tensão como obtida para materiais frágeis (baixo valor de m) e dúcteis (alto valor de m)

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Distribuição de Weibull

P(V0) = Probabilidade (acumulada) de sobrevivência do corpo de volume

V0até a tensão s m = constante chamada módulo de Weibull (caracteriza a largura da distribuição, quanto menor o seu valor, mais larga é a mesma) s0= constante (caracteriza aproximadamente a tensão correspondente à média da distribuição)

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Fratura por fadiga uTrês estágios: nucleação, propagação estável e propagação instável

Representação esquemática de uma superfície de fratura por fadiga

Superfície de fratura em eixo chavetado que rompeu por fadiga

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A superfície de fratura por fadiga uNa propagação estável o avanço da trinca é lento e cíclico ® Marcas de praia (“Beach marks”) ou estrias

Representação esquemática da formação de estrias durante um ciclo de fadiga (as setas indicam a atividade de sistemas de escorregamento próximo à ponta da trinca). (a)Tensão zero (b)Tensão baixa de tração (c)Tensão máxima de tração (d)Tensão baixa de compressão (e)Tensão máxima de compressão

(f)Tensão baixa de tração

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Mecanismos de tenacificação de cerâmicas

Aumento da resistência à propagação da trinca u Mecanismo intrínseco:

–Processamento mais cuidadoso para reduzir o tamanho de defeito crítico uMecanismos Extrínsecos:

–(a) Adição de fibras que ancoram as superfícies de fratura

–(b) Adição de partículas que sofrem transformações de fase sob a ação do campo de tensões da trinca

–(c) Adição de microtrincas que promovem a deflexão e bifurcação da trinca principal

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Mecanismos de tenacificação de polímeros uFormação de blendas com polímeros mais tenazes (exemplo, Epoxi e Acrilonitrila-Butadieno-Estireno, ABS) uAdição de partículas de borracha aos termorígidos por mistura mecânica (exemplo Epoxi modificado com elastômero) uAdição de partículas de borracha ou elastômeroao termorígido por co-polimerização.

uPromoção da nucleação profusa de microfibrilas (crazes) ou bandas de deformação, que consomem parte da energia necessária para crescer a trinca (exemplo, Poliestireno de alto impacto, HiPS)

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Fratura em polímeros uMicrofibrilamento (“crazing”) e formação de bandas de cisalhamento são mecanismos competitivos de deformação em polímeros.

uMicrofibrilamento induz fratura frágil, pois as microfibrilas agem como sítios de nucleação de trincas ®modificação do modo de deformação induz aumento de tenacidade. uExemplo: adição de poli-oxido de fenilêno (PPO) a poliestireno atático (APS)

C = microfibrilas, S = bandas de cisalhamento,

D = bandas de cisalhamento difusas. A seta indica a direção de aplicação do esforço

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