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Aula - 08 - Falha em Materiais

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by

Fernando Fernandes

on 13 May 2017

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Transcript of Aula - 08 - Falha em Materiais

falha
Você já teve o incômodo de gastar um esforço considerável para rasgar e abrir uma pequena embalagem plástica contendo amendoins, balas ou algum outro confeito?
Sumário
Introdução,
Fratura,
Fádiga,
fluência.

Objetivo da aula
Compreender a mecânica dos vários tipos de falha – isto é:
fratura,
fádiga, e
fluência
.
Provavelmente também notou que quando um pequeno rasgo (ou corte) é feito na aresta,
uma força mínima
é necessária para
rasgar
e
abrir
a embalagem.
Esse fenômeno está relacionado a uma das características básicas da mecânica da fratura: uma tensão de tração que esteja sendo aplicada é amplificada na extremidade de um pequeno rasgo ou entalhe
CALLISTER Jr. (2012).
Esta foto é de um navio-tanque que
fraturou
de maneira
frágil
como resultado da
propagação de uma trinca
completamente ao redor do seu casco.
Essa
trinca iniciou
como algum tipo de pequeno
entalhe ou defeito afilado
. Quando o navio-tanque foi submetido a
turbulências
no mar,
as tensões
resultantes foram amplificadas na
extremidade
desse entalhe ou defeito, e
uma trinca se formou
e rapidamente cresceu, o que ao final levou a uma
fratura completa
do navio-tanque.
Objetivo da aula
introdução
O jato comercial Boeing 737-200 que
sofreu uma descompressão explosiva
e uma falha estrutural em 28 de abril de 1988. Uma investigação do acidente concluiu que a causa foi
fádiga metálica
agravada por
corrosão por frestas
, já que o avião operava em um ambiente costeiro (úmido e salino).
Um programa de manutenção corretamente executado pela companhia aérea teria detectado o dano por fadiga e prevenido esse acidente.
A fuselagem foi submetida a ciclos de tensões, resultantes da compressão e da descompressão da cabine durante voos de curta duração.
Embora as
causas
das falhas e o
comportamento
dos materiais possam ser conhecidos, a
prevenção de falhas é difícil de ser garantida
. As causas comuns são a
seleção
e o
processamento
inadequados
de materiais, e de
projeto
ou da
má utilização
de um componente.
A
falha de materiais de engenharia
é quase sempre um
evento indesejável
por várias razões, as quais incluem:
Perdas econômicas
e a
interferência com a disponibilidade de produtos e serviços
.
Vidas humanas
que são colocadas em risco,
perdas econômicas
e a
interferência com a disponibilidade de produtos e serviços
.
E a
interferência com a disponibilidade de produtos e serviços
.
Também, podem ocorrer danos às partes
estruturais
durante o serviço,
e a inspeção
regular e o reparo ou substituição são críticos para um projeto seguro.
É responsabilidade do engenheiro
antecipar
e
planejar
levando em consideração possíveis falhas e, no caso de uma falha de fato ocorrer,
avaliar sua causa
e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros incidentes.
fratura
A fratura consiste na
separação
de um corpo em
duas
ou
mais partes
em resposta à imposição de uma tensão estática.
Fundamentos
da
Fratura
Uma fratura também pode ocorrer devido:
isto é, que é constante ou que varia lentamente ao longo do tempo e em temperaturas que são baixas em relação à temperatura de fusão do material.
À fadiga
(quando são impostas tensões cíclicas),
Á fluência
(deformação que varia com o tempo e que ocorre normalmente sob temperaturas elevadas).
As tensões aplicadas podem ser:
de tração,
de compressão,
de cisalhamento, ou
de torção (ou combinações dessas).

Vamos tratar apenas às fraturas que resultam de cargas de
Tração uniaxiais
. Para os
metais
, são possíveis dois modos de fratura:
dúctil e frágil
.
Fratura
Dúctil e frágil
A classificação é baseada na habilidade de um material apresentar
deformação plástica
.
Materiais
dúcteis
exibem tipicamente uma
deformação plástica
substancial com grande
absorção de energia
antes da fratura.

Uma fratura
frágil
, há normalmente
pouca
ou
nenhuma

deformação plástica
e baixa
absorção
de energia .
Os comportamentos
Tensão-Deformação
em tração de ambos os tipos de fratura podem ser revistos.
(a) Fratura altamente dúctil na qual a amostra forma um pescoço até um único ponto. (b) Fratura moderadamente dúctil com algum empescoçamento. (c) Fratura frágil sem nenhuma deformação plástica.
CALLISTER Jr (2012).
Fonte: Callister Jr. (2012)
O
tipo da fratura
é altamente dependente do mecanismo de propagação da
trinca.
A fratura dúctil é caracterizada por
uma extensa deformação plástica
na vizinhança de uma trinca que está avançando.
Qualquer processo de fratura envolve duas etapas:
Formação, e
Propagação de Trincas.


Em resposta a uma tensão aplicada
Na fratura frágil,
as trincas podem se espalhar de maneira extremamente rápida
, acompanhadas de muito pouca deformação plástica. Tais trincas podem ser consideradas instáveis,
e a propagação da trinca, uma vez iniciada
, continuará espontaneamente sem aumento na magnitude da tensão aplicada.
O processo prossegue de maneira
relativamente lenta
conforme o comprimento da trinca aumenta. Frequentemente, esse tipo de trinca é dito ser
estável
. Isto é, resiste a qualquer aumento adicional,
a menos que exista
um aumento na tensão aplicada.
A fratura
dúctil é quase sempre preferível

frágil
por duas razões.
Em primeiro lugar
, a fratura frágil ocorre
repentina
e
catastroficamente
, sem nenhum aviso prévio; isso é uma consequência da espontânea e rápida propagação da trinca. Por outro lado, para as
fraturas dúcteis
a presença de uma deformação plástica
dá um alerta
de que a fratura é iminente, permitindo que sejam tomadas medidas preventivas.
Em segundo lugar
, mais energia de
deformação é necessária
para induzir uma fratura dúctil, uma vez que os materiais dúcteis são em geral mais
tenazes
. Sob a ação de uma tensão de tração aplicada, muitas ligas metálicas
são dúcteis
, enquanto os materiais cerâmicos são
tipicamente frágeis
, e os polímeros podem exibir uma gama de comportamentos.
fratura dúctil
Representações esquemáticas para dois perfis de fratura macroscópicos característicos.
O tipo mais comum de perfil de fratura por tração para os metais dúcteis é o que está representado na fig. (b), na qual a fratura é precedida por apenas uma quantidade moderada de empescoçamento. Normalmente, o processo de fratura ocorre em vários estágios.
Fig. (a) - É encontrada nos metais extremamente dúcteis, tais como o ouro puro e o chumbo puro à temperatura ambiente, além de outros metais, polímeros e vidros inorgânicos em temperaturas elevadas. Esses materiais altamente dúcteis formam um pescoço até uma fratura pontual, exibindo uma redução de área virtualmente de 100%.
Primeiro, após o início do empescoçamento, pequenas cavidades ou microvazios se formam na seção transversal do material, como na Fig.(b).

Em seguida, com o prosseguimento da deformação, esses microvazios aumentam em tamanho, se aproximam e coalescem para formar uma trinca elíp- tica, que tem seu eixo maior perpendicular à direção da tensão. A trinca continua a crescer paralela à direção do seu eixo principal, através desse processo de coalescência de microvazios Fig. (c).
Finalmente, a fratura ocorre pela rápida propagação de uma
trinca
ao redor do perímetro externo do pescoço Fig. (d), mediante uma
deformação cisalhante
que ocorre em um
ângulo de aproximadamente 45°
em relação ao eixo de tração – esse é o ângulo no qual a tensão cisalhante é
máxima
. Algumas vezes, uma fratura que possui esse contorno superficial característico é
denominada fratura taça e cone
, pois uma das superfícies
possui a forma de uma taça, enquanto a outra lembra um cone.
(a) Fratura do tipo taça e cone no alumínio. (b) Fratura frágil em um aço doce.
Fonte: Callister (2012)
fratura frágil
A fratura
Frágil

ocorre sem qualquer deformação apreciável
e através da rápida propagação de uma trinca. A direção do movimento da trinca é, aproximadamente,
perpendicular
à direção da tensão de tração aplicada, e produz uma superfície de fratura
relativamente plana.
FaDIGA
INTRODUÇÃO
A fadiga é
uma falha
que ocorre em estruturas submetidas a
tensões

dinâmicas
e
variáveis.

exemplo: pontes, aeronaves e componentes de máquinas.
CALLISTER Jr. (2012)
O termo
fadiga
é empregado porque esse tipo de falha ocorre normalmente após um
longo período
sob tensões
repetidas
ou
ciclos de deformação
.

A fadiga é importante uma vez que é a maior causa individual de
falhas nos metais
, sendo estimado que compreenda aproximadamente
90% de todas as falhas de metais
.
Os
polímeros
e as
cerâmicas
(à exceção dos vidros) também são suscetíveis a esse tipo de falha.
Além disso, a fadiga é catastrófica e traiçoeira, ocorrendo muito repentinamente e sem nenhum aviso prévio.
O processo ocorre pela
iniciação
e
propagação de trincas
e, em geral, a superfície da fratura é
perpendicular
à direção de uma tensão de tração aplicada.
Variação da
tensão
com o
tempo
, que é responsável por falhas em fadiga.
FATORES Que AFETAM A VIDA EM FADIGA
TENSÃO MÉDIA
A dependência da
vida em fadiga
em relação à
amplitude
de tensão é representada pelo gráfico S-N. Como pode ser observado, o
aumento no nível da tensão média leva a uma diminuição da vida em fadiga.
Callister Jr. (2012)
EFEITO DA SUPERFÍCIE
Para muitas situações comuns de
aplicação de carga
, a tensão máxima em um componente ou estrutura ocorre
em sua superfície
.
Consequentemente, a maioria das trincas que levam a uma falha por fadiga tem sua origem em
posições superficiais
. Portanto, foi observado que a
vida em fadiga
e
́ especialmente
sensível
às condições e configurações da superfície do componente.
Inúmeros fatores influenciam a resistência à fadiga, e um gerenciamento apropriado desses fatores levará a melhoria na vida em fadiga. Esses fatores incluem critérios de projeto, assim como diferentes tratamentos superficiais.
VARIÁVEL DE PROJETO
O
projeto
de um componente pode ter uma
influência significativa
sobre suas características em fadiga.
Qualquer
entalhe
ou
descontinuidade geométrica
pode atuar como um concentrador de tensões e como sítio para a
iniciação de uma trinca de fadiga
; essas características de projeto incluem:
sulcos,
orifícios,
rasgos de chaveta,
fios de roscas e assim por diante
.
Quanto
mais afilada
for uma descontinuidade (isto é, quanto menor for seu raio de curvatura),
mais severa será a concentração de tensões.
A probabilidade de falhas por fadiga pode
ser reduzida
se essas irregularidades estruturais forem evitadas (quando possível), ou então fazendo-se modificações no projeto em que sejam
eliminados os contornos
com mudanças bruscas de geometria, que levam à formação de cantos agudos.
Callister Jr. (2012)
(a) Projeto ruim: aresta viva.
(b) Projeto bom: a vida em fadiga é melhorada pela incorporação de um filete adoçado no eixo rotativo, no ponto onde existe mudança no diâmetro.
TRATAMENTO POR SUPERFÍCIE
Durante as operações de usinagem,
pequenos riscos e sulcos
são invariavelmente introduzidos na superfície da peça de trabalho pela ação da ferramenta de corte.
Essas marcas superficiais podem limitar a vida em fadiga. Foi observado que uma
melhoria no acabamento
da superfície por
polimento
aumenta significativamente a
vida em fadiga.
ENDURECIMENTO DA CAMADA SUPERIOR
O endurecimento da camada superficial é uma técnica pela qual
tanto a dureza superficial
quanto a
vida em fadiga de aços
são
aumentadas
. Isso é obtido por um processo de
carbonetação
ou de
nitretação
, em que um componente é exposto a uma atmosfera rica em
carbono
ou rica em
nitrogênio
em uma temperatura elevada.
Camada
Superficial
Núcleo
Fotomicrografia mostrando as regiões interior (embaixo) e da camada externa carbonetada (topo) de um aço cementado. A camada superficial é mais dura, como comprovado pela menor impressão de microdureza.
EFEITOS DO AMBIENTE
Os fatores ambientais também podem afetar o comportamento em fadiga dos materiais. Alguns comentários sucintos serão feitos em relação a dois tipos de falhas por fadiga assistidas pelo ambiente:
a fadiga térmica
a fadiga associada à corrosão.
Fadiga Térmica

É induzida normalmente em
temperaturas elevadas
, devido a tensões térmicas variáveis. A origem dessas tensões térmicas está na
restrição à expansão
e/ou
contração
dimensional que normalmente deveria ocorrer em um membro estrutural sujeito a variações de temperatura.
Fadiga a Corrosão

Os ambientes corrosivos têm
influência negativa
e produzem menores vidas em fadiga. Mesmo a atmosfera ambiente normal afetará o comportamento em fadiga de alguns materiais. Pequenos pites podem se formar como resultado de reações químicas entre o ambiente e o material, os quais servirão como pontos de concentração de tensões e, portanto, como sítios para a
nucleação de trincas
.
Adicionalmente, a taxa de propagação das trincas é aumentada como resultado do ambiente corrosivo.
A natureza dos
ciclos de tensão
influenciará o comportamento em fadiga;
Exemplo: Uma redução na frequência de
aplicação da carga
leva a períodos mais longos durante os quais a
trinca aberta está em contato com o ambiente, e a uma redução na vida em fadiga
.
fluência
Com frequência, os materiais são colocados em serviço sob condições de
temperaturas elevadas
e
são expostos a tensões mecânicas estáticas
(por exemplo, os rotores de turbinas em motores a jato e geradores a vapor, os quais sofrem tensões centrífugas, e as linhas de vapor de alta pressão).
A deformação sob tais circunstâncias é denominada fluência.
introdução
Definida como a
deformação permanente
e
dependente do tempo de materiais submetidos a uma carga ou tensão constante
, a fluência é geralmente um fenômeno indesejável e, com frequência, o fator limitante na vida útil de uma peça.
Muito Obrigado

TRABALHO EM GRUPO

Tema: FALHA EM MATERIAL


Cada grupo deve escolher um material que apresente uma falha seja por fádiga, fluência etc ;
O grupo deve preparar uma apresentação em Slides quantos necessários para apresentar a falha (
Não apresentar solução ou hopótese
);
Será escolhido um membro do grupo para defender o trabalho e anota será igual a todos os membros;
Tempo no máximo 20 minutos
Valor até 3,0 Pts( Apresentação do trabalho e formatação do slade, domínio do assunto, apresentação pessoal)

Os alunos que não estiverem presente no dia da apresentação não farão jús a nota.
Apresentação próxima aula.
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