MateriaisFadiga e Fraturas

Mecanismos para o Aumento daResistência em Metais

Teoria

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1. FADIGAA fadiga é uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas atensões dinâmicas e oscilantes (pontes, aeronaves e componentes demáquinas). Sob estas circunstâncias é possível a ocorrência de uma falha emum nível de tensão inferior ao limite de resistência à tração ou ao limite deescoamento para uma carga estática. O termo fadiga é usado porque estafalha ocorre após um longo período de tensão repetitiva ou ciclo dedeformação. A fadiga é responsável por pelo menos 90% de todas as falhasmetálicas. O processo ocorre pela iniciação e propagação de trincas e emgeral, a superfície da fratura é perpendicular à direção de uma tensão detração aplicada.

1.2. Ensaios de Fadiga: Curvas σσσσ-NComo ocorre com outras características mecânicas, as propriedades de fadigapodem ser determinadas a partir de ensaios de simulação em laboratório. Umdiagrama esquemático do equipamento utilizado nestes ensaios estáapresentado abaixo.

O corpo de prova é submetido ao ciclo de tensões, com uma tensão da ordemde 2/3 do limite estático de resistência à tração, o número de ciclos até a falhaé contado. Este procedimento é repetido com outros corpos de prova, comamplitudes máximas de tensão progressivamente menores. Os dados sãoplotados em um gráfico na forma de uma tensão σ em função do logaritmo donúmero de ciclos N até a falha.Dois tipos distintos de curvas σ-N podem ser observados, de acordo com aFigura abaixo.

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Como pode-se notar, quanto maior a magnitude da tensão, menor o número deciclos que o material suporta antes da falha.Para algumas ligas ferrosas e de titânio, a curva σ-N do tipo mostrado em (a) éobservada. Nestes casos, para valores de N elevados, observa-se uma linhahorizontal constante, ou seja, existe um nível de tensão limitante, chamado delimite de resistência à fadiga. Materiais deste tipo não apresentarão falhapor fadiga abaixo deste valor de tensão, seja qual for o número de ciclos.

A maioria das ligas não ferrosas apresenta uma curva σ-N do tipo apresentadoem (b), onde não existe um limite de resistência à fadiga, uma vez que a curvacontinua a decrescer para maiores valores de ciclos, até que a falha por fadigafinalmente ocorra. Para estes materiais a falha é especificada pelo nível detensão suportada por um determinado número de ciclos (Resistência à fadiga).

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Outro parâmetro que pode ser tirado deste gráfico é a vida em fadiga sob umatensão T, que representa o número de ciclos necessários para causar a falhaem um nível de tensão específico.

1.3. Fatores que influenciam a vida em Fadigaa) Tensão Média : a dependência da vida em fadiga em relação à magnitudeda tensão média está apresentada no gráfico abaixo. Para um aumento nonível médio de tensão leva a uma diminuição na vida em fadiga.

b) Tratamentos de SuperfíciePara muitas situações de carregamento usuais a tensão máxima dentro de umcomponente ou estrutura ocorre na sua superfície. A maioria das falhas porfadiga tem sua origem em posições localizadas sobre a superfície, em sítios deamplificação de tensão. Para reduzir este efeito são utilizados algunstratamentos de superfície, tal como polimento ou acabamento superficial,que elimina riscos e sulcos de usinagem. Outro tratamento de superfícieutilizado é o jateamento, onde pequenas partículas duras (projéteis) sãoprojetadas a velocidades elevadas contra a superfície a ser tratada. Adeformação resultante induz tensões compressivas até uma profundidade quevaria entre ¼ e a metade do diâmetro do projétil e que resultam em umaumento da vida em fadiga (ver gráfico comparativo abaixo).

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Outro tratamento de superfície que pode ser utilizado é a carbonatação ounitretação para recobrir a superfície do metal. A melhoria das propriedades defadiga está relacionada ao aumento de dureza da camada superficial.

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c) Efeitos do AmbienteA fadiga térmica é induzida a temperaturas elevadas e pela flutuação dastensões térmicas. Isto se deve à tensões térmicas induzidas pela restrição àexpansão e/ou à contração dimensional da peça. Para reduzir este efeito deve-se procurar eliminar fontes de variações na temperatura ou utilizar materiaiscom propriedades físicas mais adequadas.A fadiga por corrosão é comum em ambientes corrosivos. Dependendo domaterial até o ambiente normal poderá afetar o comportamento da fadiga.Neste caso, pequenos piques podem se formar como resultado de reaçõesquímicas entre o ambiente e o material, servindo como pontos de concentraçãode tensões e sítios de nucleação e trincas. Também neste caso deverão serconsiderados tratamentos superficiais e/ou a especificação de materiais maisresistentes e a redução da corrosividade do ambiente.

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2. FRATURASA fratura simples consiste na separação de um corpo em dois ou mais pedaçosem resposta a uma tensão imposta que possua natureza estática e a temperaturasque são baixas quando comparadas à temperatura de fusão do material. A tensãoaplicada pode ser do tipo tração, compressão, cisalhamento ou torcional. Paramateriais de engenharia são possíveis dois tipos de fratura: dúctil e frágil. Aclassificação é feita em termos da habilidade do metal experimentar umadeformação plástica. Os materiais dúcteis exibem uma deformação plástica comgrande absorção de energia antes da ocorrência da fratura. Os materiais frágeisapresentam normalmente pouca ou nenhuma deformação plástica, com poucaabsorção de energia. Os gráficos de tensão x deformação para materiais dúcteise frágeis estão apresentados abaixo.

A fratura dúctil é caracterizada por uma extensa deformação plástica navizinhança da trinca. O processo de deformação avança até que a fratura ocorra eé denominado de estável, resistindo a qualquer extensão adicional, desde que nãohaja aumento da tensão.A fratura frágil apresenta trincas que se espelham de uma maneira muito rápida,com o acompanhamento de muito pouca deformação plástica, sendo um processoinstável, onde a propagação da trinca se dará espontaneamente sem um aumentode tensão aplicada.

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2. MECANISMOS PARA O AUMENTO DA RESISTÊNCIA EM METAIS2.1. REDUÇÃO DO TAMANHO DO GRÃOO tamanho dos grãos em um material metálico influencia em suaspropriedades mecânicas. Grãos adjacentes possuem orientaçõescristalográficas diferentes e contornos de grão comuns (ver figura abaixo).

Durante a deformação plástica o escoamento ocorre do grão A para o grão B.O contorno do grão atua como uma barreira ao movimento dos átomos e àdesorganização cristalográfica.Um material com granulação fina é mais duro e mais resistente do que ummaterial que possui uma granulação grosseira, uma vez que o primeiro possuiuma área total maior de contornos de grão para dificultar o escoamento.

O tamanho do grão pode ser regulado mediante o ajuste da taxa desolidificação a partir da fase líquida e por tratamento térmico, conformeveremos a seguir.

2.2. FORMAÇÃO DE LIGASOs metais com pureza elevada são mais macios e fracos do que as ligascompostas pelo mesmo metal de base. O aumento da concentração deimpurezas resulta em um aumento no limite à resistência à tração e no limitede escoamento. Como exemplo, mostram-se abaixo alguns gráficosresultantes de propriedades mecânicas medidas no cobre, com diferentesconcentrações de níquel (% em peso).

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As ligas são mais resistentes do que os metais puros porque os átomos deimpureza tendem a ser segregados para a superfície da rede, aumentando aresistência dos contornos de grão.

2.3. ENCRUAMENTOÉ o fenômeno pelo qual um metal dúctil se torna mais duro e resistente quandosubmetido a uma deformação plástica, também chamado de endurecimentopor trabalho. A deformação é efetuada a uma temperatura abaixo do ponto defusão do metal, também denomina-se de trabalho a frio. A maioria dos metaisincrua-se à temperatura ambiente.O metal é deformado por tração, compressão ou torção. Os planos atômicosdentro de cada grão serão deslocados por escorregamento em tal extensãoque a deformação se torna permanente ou plástica. Os grãos, inicialmenteequiaxes, tornam-se alongados pela deformação plástica, resultando em umalinhamento da estrutura denominada textura.

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Estes fenômenos são observados em operações de ESTAMPAGEM DECHAPAS E TREFILAÇÃO DE FIOS E ARAMES.O metal que sofre este tratamento é chamado encruado, pois apresenta grãosalongados ou alinhamento estrutural (textura).

2.3.1. RECOZIMENTO DE METAL ENCRUADOOs efeitos do encruamento podem ser removidos mediante um tratemntotérmico de recozimento (ou trabalho a quente). Um metal que foi encruadoapresenta uma microestrutura de grãos alongados e encontra-setermodinamicamente em um estado instável ou de não equilíbrio. Se estemetal for aquecido a temperaturas crescentes, observaremos que os átomosem posições instáveis procurarão uma posição de maior equilíbrio, devido aoaumento da mobilidade do sistema, reorganizando-se num processo deRECRISTALIZAÇÃO.Os novos grãos formados seguirão o sistema cristalino original e normal para atemperatura em questão.Finalmente, a temperaturas superiores à de recristalização os novos grãostenderão a crescer, absorvendo os grãos menores e restaurando aspropriedades mecânicas de ductibilidade e tenacidade do metal encruado.

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2.4. PRINCIPAIS PROCESSOS DE CONFORMAÇÃO DE METAIS

A conformação de metais e suas ligas consiste na arte e na técnica de darforma e dimensões aos mesmos, seja no estado líquido (fundido) ao estadosólido a frio ou a quente, geralmente com melhorias estruturais, visando o usoeconômico pelo homem.

FUNDIÇÃO (Líquido a sólido) Moldes individuais ou moldespermanentes;

CONFORMAÇÃO POR TRABALHOA FRIO (abaixo da Temperatura de

recristalização)

Laminação de chapas e perfisTrefilação de aramesFormasEstampagem de chapasCunhagem de moedasPunçonado para furação;

CONFORMAÇÃO POR TRABALHOA QUENTE (acima da Temperatura de

Recristalização)

Laminação de chapas Grossase perfisForjamentoExtrusãoFabricação de tubos;

DIVERSOS Tubos (com costura)Metalurgia (sinterização)UsinagemSoldaEletrodeposiçãoExplosão