Fratura dos Materiais

Fratura dos MateriaisFratura a separao ou fragmentao de um corpo slido em duas ou mais partes, sob a ao de uma tenso. O processo de fratura pode ser considerado como constitudo de duas partes, inicio da trinca e propagao da trinca.

Fratura dos MateriaisFratura dtil ocorre apenas aps extensa deformao plstica e se caracteriza pela propagao lenta de trincas resultantes da nucleao e crescimento de microcavidades.Fratura frgil ocorre pela propagao rpida de trincas, acompanhada de pouca ou nenhuma deformao. Nos materiais cristalinos ocorre em determinados planos cristalinos chamados planos de clivagem ou ao longo dos contornos de gro. Esta fratura deve ser evitada, porque ela ocorre sem nenhuma advertncia e normalmente provoca conseqncias desastrosas.

Fratura dos MateriaisFratura dctil em monocristaisNa ausncia de heterogeneidades microestruturais que nucleiem uma trinca, a estrico prossegue at que a seo do corpo se anule -> Colapso plstico, fratura por cisalhamento.

Fratura dos MateriaisRepresentao esquemtica do desenvolvimento do colapso plstico em um metal dctil em condies de polideslizamento.Materiais policristalinos (metais muito dcteis).(c) Amostra monocristalina de cobre de alta pureza que se rompeu por colapso plsticoa)c)

Fratura dos MateriaisFratura dctil por coalescimento deMicrocavidades Um material convencional possui um grande nmero de heterogeneidades microestruturais que podem atuar como stios de nucleao de cavidades. A observao detalhada da superfcie de fratura causada por este mecanismo com lupa ou microscpio eletrnico de varredura revela a presena de alvolos (dimples), que so os remanescentes das cavidades nucleadas. O colapso plstico se desenvolve nas fronteiras das microcavidades levando ruptura gradual e contnua do material. Em policristais os CG podem atuar como heterogeneidades microestruturais e este o mecanismo predominante de fratura em policristais dcteis.

Fratura dos MateriaisFratura dctil por coalescimento deMicrocavidades

Fratura dos MateriaisFratura frgil por clivagem A fratura frgil em geral aproximadamente perpendicular a tenso de trao aplicada e produz uma superfcie relativamente plana e brilhante. Nos materiais cristalinos corresponde quebra sucessiva das ligaes atmicas ao longo de um plano cristalogrfico caracterstico, chamado plano de clivagem. Este modo de fratura caracterstico de metais que apresentam algum impedimento para o escorregamento de discordncias => alta resistncia mecnica

Fratura dos MateriaisFratura frgil por clivagem

Fratura dos MateriaisSuperfcie de fratura por clivagem A superfcie de fratura por clivagem marcada por um relevo caracterstico, denominado marcas de rio (river marks). Este relevo surge do encontro de facetas de clivagem crescendo em planos paralelos. Em metais, a fratura final entre as facetas envolve considervel deformao plstica, o que leva a um aumento na energia absorvida no processo de fratura.

Fratura dos MateriaisSuperfcie de fratura por clivagemMarcas de rio Durante a propagao da trinca de clivagem, facetas podem ser geradas quando a trinca cruza uma discordncia em hlice no contida no plano. Em um material cristalino as discordncias podem se organizar em estruturas de baixa energia, chamadas contornos de sub-gro. Contornos de sub-gro compostos predominantemente de discordncias em cunha so chamados de contornos de inclinao (tilt boundaries) e aqueles constitudos predominantemente de discordncias em hlice so chamados contornos de rotao (twist boundaries). Quando uma trinca de clivagem encontra um contorno de rotao pode ocorrer a nucleao profusa de facetas. Com o progresso da fratura as facetas coalescem, gerando um padro semelhante a um rio sendo formado por seus tributrios. Esta morfologia permite determinar a direo da propagao da trinca pela observao da superfcie de fratura => fratografia.

Fratura dos MateriaisNucleao da trinca de clivagemPossibilidades: Mecanismo de Stroh (coalescimento de discordncias empilhadas contra uma barreira) Fratura de partculas mais frgeis que a matriz (por exemplo, incluses)

Fratura dos MateriaisCompetio entre clivagem e colapso plstico Colapso plstico ( por associao, nucleao de microcavidades) e clivagem so mecanismos competitivos de fratura. Sendo assim o mecanismo efetivo de fratura pode ser diferente para um mesmo material em diferentes circunstncias. De forma simplificada podemos dizer que clivagem ocorrer quando a tenso crtica de clivagem for menor que a tenso necessria para ativar os sistemas de escorregamento. Isto significa que possvel atingir a tenso critica de clivagem mesmo para um material que j sofreu uma certa quantidade de deformao plstica (por exemplo, se a taxa de encruamento, /, causar um aumento muito forte da resistncia do material).Exemplo do exposto acima, dois monocristais de ferro. Dependendo da sua orientao a fratura ocorre por colapso plstico ( esquerda) ou por clivagem ( direita).

Fratura dos MateriaisCompetio entre clivagem e colapso plstico

Fratura dos MateriaisFratura frgil intergranular Ocorre quando o contorno de gro apresenta resistncia mecnica menor que a matriz

Fratura dos MateriaisFratura em flunciaCom o progresso da deformao em fluncia o material perde a capacidade de acomodar a deformao simultnea dos gros por meio de deslizamento do contorno. Isto leva ao surgimento de cavidades, principalmente associadas aos pontos triplos da microestrutura.Mecanismo de formao de trincas intergranulares por deslizamento degros (segundo H. C. Chang e N. J. Grant).

Mecnica da FraturaRamo da Cincia dos Materiais que busca a quantificao das relaes entre as propriedades dos materiais, tenses aplicadas, defeitos que induzem trincas.

Mecnica da FraturaConcentradores de tensoIrregularidades na forma de um componente perturbam seu campo de tenso , amplificando a tenso em suas proximidades => concentradores de tenso Exemplos de concentradores de tenso: Riscos, entalhes, cantos vivos, mudanas de seo no componenteA figura ao lado representa esquematicamente o efeito de um entalhe sobre o campo de tenses de um componente submetido trao. Note que a separao entre as linhas diminui nas proximidades da ponta do entalhe, indicando que a intensidade da tenso maior neste ponto.

Mecnica da FraturaConcentradores de tenso- A tenso terica necessria para romper as foras de ligao entre os tomos da ordem de E/10 (E o mdulo de rigidez).- Medidas experimentais fornecem valores entre E/10.000 e E/100.C. E. Inglis sugeriu pela primeira vez em 1913 que os concentradores de tenso seriam os responsveis por esta discrepncia. Ele resolveu o problema da distribuio das tenses em uma placa infinita de material elstico contendo um furo passante elptico de comprimento 2a e raio de curvatura da ponta Pt . A tenso aplicada 0 d origem a uma tenso m na ponta do defeito tal que:

m=2 0(a/ P t )1/2

- Note que a tenso pode ser tornada arbitrariamente grande com areduo do raio de curvatura.

Mecnica da FraturaO critrio de Griffith A. A. Griffith props em 1921 que a reduo da tenso de ruptura experimental em relao terica ocorreria pela presena de defeitos pr-existentes na microestrutura, que poderiam ser aproximados a cavidades elpticas. o critrio de Griffith pressupe que o raio na ponta da trinca seja fino o suficiente para que a tenso local exceda a energia de coeso do material

Mecnica da FraturaFator de Intensificao de Tenso

Em 1957 G. R.Irwin publicou a soluo do problema da distribuio de tensesem uma placa infinita contendo uma trinca passante (e no um furo elptico). Ele considerou que a trinca poderia ser carregada em trs modos distintos, sendo que o mais comum o modo I.

Qualquer que seja o modo de carregamento e utilizando hipteses de comportamento linearmente elstico (hookeano), Irwin demonstrou que a tenso no plano que contm trinca dado aproximadamente por = K.(2r)-1/2Onde r a distncia a partir da ponta da trinca. K o fator de intensificao de tenso (stress intensity factor), relacionado tenso aplicada naplaca e ao comprimento 2a da trinca:K= .(. a)1/2

Mecnica da FraturaFator de forma A funo K deduzida por Irwin e seu grupo de trabalho a rigor vale apenas para a trinca passante em uma placa infinita. possvel, entretanto, demonstrar que para outras geometrias de defeitos basta multiplicar a funo por um fator numrico dependente exclusivamente da geometria da placa e do defeito. Este fator numrico denominado Fator de Forma Y e a expresso de K se torna, portanto:K = Y..(a)1/2

Mecnica da FraturaTenacidade fratura O Fator de Intensificao de Tenso mede o potencial de origem elstica que atua sobre a trinca para faz-la crescer. Para valores baixos de K o sistema encontrar-se- em um estado estacionrio estvel e o comprimento da trinca permanecer inalterado. Para um dado valor crtico Kc o sistema atingir um estado de equilbrio instvel e a partir deste valor a trinca ir crescer. A condio necessria para crescimento da trinca poder ser descrita, portanto como:K Kc Kc uma propriedade que depende do material e de fatores geomtricos do sistema (formato da placa e do defeito). Em uma condio especial, chamada Estado Plano de Deformao, entretanto, ela se tornar independente da geometria e ser designada KIc . Esta propriedade dependente exclusivamente do material e pode-se demonstrar que ela o valor mnimo de Kc. Ela recebe o nome de tenacidade fratura no estado plano de deformao.

Mecnica da FraturaMecnica da Fratura na Engenharia Na engenharia a mecnica da fratura pode ser usada para resolver dois tipos de problema. No primeiro o tamanho do defeito conhecido e deseja-se saber qual a tenso de ruptura do slido (exemplo: inspeo em uma asa de avio). No segundo problema, sabe-se a tenso de ruptura do slido e procura-se o comprimento do defeito crtico. Todos os demais problemas so variantes destes dois casos.

Fadiga At o momento, foram estudadas solicitaes estticas ou monotnicas (a fora cresce ou decresce continuamente). Nas aplicaes de engenharia, entretanto, freqentemente encontram-se solicitaes cclicas (ex. eixos, molas, asas de avio, bio-implantes, ), que implicam em FADIGA. A fadiga responsvel por mais de 50% das falhas mecnicas observadas nos componentes estruturais e por um grande nmero de acidentes com vtimas fatais. A fadiga ocorre mesmo quando um componente submetido a solicitaes dentro do regime elstico (isto , para tenses inferiores ao limite de escoamento) => o fenmeno deve ser levado em conta em projetos de engenharia. A fadiga ocorre em todas as classes de materiais (metlicos, cermicos, polimricos e compsitos)

FadigaTrs estgios: nucleao, propagao estvel e propagao instvela) Representao esquemtica de uma superfcie de fratura por fadigab) Superfcie de fratura em eixo chavetado que rompeu por fadigaa) b)