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CENTRO UNIVERSITRIO DA FEI

KTIA CRISTINA GOUVEIA

INVESTIGAO DOS MTODOS DE DETERMINAO DA TEMPERATURA DE

TRANSIO DCTIL-FRGIL (TTDF) UTILIZANDO ENSAIO DE IMPACTO

CHARPY

So Bernardo do Campo

2013

KTIA CRISTINA GOUVEIA

INVESTIGAO DOS MTODOS DE DETERMINAO DA TEMPERATURA DE

TRANSIO DCTIL-FRGIL (TTDF) UTILIZANDO ENSAIO DE IMPACTO

CHARPY

Dissertao de Mestrado apresentada ao Centro

Universitrio da FEI como parte dos requisitos

necessrios obteno do ttulo de Mestre em

Engenharia Mecnica, orientada pelo Prof. Dr.

Rodrigo Magnabosco.

So Bernardo do Campo

2013

Gouveia, Ktia Cristina

Investigao dos mtodos de determinao da temperatura de tran-

sio dctil-frgil (TTDF) utilizando ensaio de impacto charpy / Ktia

Cristina Gouveia. So Bernardo do Campo, 2013.

160 f. : il.

Dissertao - Centro Universitrio da FEI.

Orientador: Prof. Rodrigo Magnabosco.

1. TTDF. 2. Tenacidade. 3. Temperatura de Transio Dctil-

Frgil. I. Magnabosco, Rodrigo, orient. II. Ttulo.

CDU 620.17

Dedico este trabalho s pessoas que no me

deixaram desistir, e a Deus, por ter colocado

estas pessoas em meu caminho.

AGRADECIMENTOS

Ao meu marido, que a sua maneira, tambm dedicou muitas horas a este trabalho.

minha me, que fez a solido dos meus estudos mais leve e mais doce.

Ao meu pai, que no seu silncio sempre se fez presente.

Aos demais membros da minha famlia, que fizeram da minha ausncia uma chance de

demonstrar o quanto se importam comigo, por seu carinho e compreenso.

A todos os colegas que cruzaram meu caminho desde o incio do curso de Mestrado.

Ao Prof. Gustavo Donato e ao Sr. Fabio Cavalcanti, que muito acrescentaram ao meu

entendimento do material estudado.

Ao Prof. William Naville e ao Sr. Gustavo Estrela, que auxiliaram na execuo dos ensaios, e

obteno de dados para este trabalho.

Aos Prof. Mauro Andreassa e Luiz Antonio Pacfico, que foram os meus primeiros

avaliadores nesta longa jornada.

E, finalmente, ao professor Rodrigo Magnabosco, meu orientador, que com sua objetividade,

disponibilidade e clareza me orientou durante o caminho at a obteno de todo o

conhecimento que h neste trabalho.

... o sofrimento passageiro, mas a conquista para sempre...

Autor Desconhecido

RESUMO

Os aos estruturais so materiais amplamente utilizados na construo e na indstria.

A ocorrncia de fraturas frgeis catastrficas nos navios da classe Liberty durante a 2 Guerra

Mundial, no entanto, trouxe tona a necessidade de determinar uma temperatura limite,

abaixo da qual o comportamento fratura do material se altera de dctil a frgil, de maneira a

prever e evitar tais ocorrncias. A essa temperatura se deu o nome de Temperatura de

Transio Dctil-Frgil (TTDF) dos materiais. Naquela poca, no entanto, pouco sobre o

assunto havia sido documentado e, dentre os ensaios disponveis, o ensaio de impacto Charpy

foi ento considerado o ensaio que mais se adequava s necessidades para o estudo deste

assunto, e permanece at hoje com ampla utilizao para este fim. Diante deste contexto, o

objetivo deste trabalho realizar a determinao da TTDF utilizando vrias metodologias, e

realizar um estudo comparativo entre os resultados obtidos. Foi estudado o ao ASTM A-36

(2012) com trs graus de deformao. Corpos de prova tipo A foram utilizados para

realizao de ensaio de impacto a diversas temperaturas, conforme norma ASTM E23 (2012).

As diferentes definies para a TTDF dos aos estruturais foram apresentadas e utilizadas. O

valor da TTDF considerando a condio de fragilidade nula do material o maior dentre eles,

sendo portanto o mais conservador. Quando se avaliam os dados de TTDF obtidos pela

medio da expanso lateral dos corpos de prova, v-se que com estes resultados no

possvel avaliar alteraes no comportamento do material devido ao efeito da pr-deformao.

J o comportamento de transio do material quando considerado o valor da TTDF na qual o

material apresenta 50% de fratura dctil e 50% de fratura frgil muito similar nas 3

condies de pr-deformao adotadas, considerando ambas as metodologias de avaliao

visual das faces de fratura dos corpos de prova ensaiados ao impacto, embora os valores

sejam divergentes dos valores obtidos pelos mtodos analticos. Pela avaliao das faces de

fratura dos corpos de prova por microscopia eletrnica de varredura, foi possvel visualizar

que nas regies onde, por avaliao visual, considerou-se que havia fratura por clivagem,

tambm haviam regies com alvolos resultantes de deformao plstica do material, tpicos

de fratura dctil. Sendo assim, a determinao da TTDF pelo mtodo da porcentagem de

fratura dctil ou por clivagem fica comprometida. Por fim, verificou-se que a metodologia

mais indicada para determinao da TTDF aquela obtida considerando que a TTDF a

temperatura na qual a energia absorvida a mdia da energia absorvida nos patamares

superior e inferior em funo da temperatura, por tratar-se de um mtodo simples, de fcil

reprodutibilidade e aquela que melhor refletiu a tendncia de comportamento do material

quando se aplicam pr-deformaes de at 8,6% no material.

Palavras chave: TTDF, Tenacidade, Temperatura de Transio Dctil-Frgil, Ensaio de

Impacto.

ABSTRACT

Structural steels are widely used in all areas of construction and industry. The

occurrence of catastrophic brittle fracture on Liberty Ships during II World War, however,

brought the need of establishing a limiting temperature below which the material behavior

will change, and occurrence of catastrophic brittle fracture could be anticipated and avoided.

This temperature was named Ductile-to Brittle Transition Temperature (DBTT). At that time,

however, little information about this subject had been documented, and Charpy impact test

was considered the most adequate procedure considering all available, and is still the most

used test for this purpose. However, it would be necessary to define adequate criteria to define

DBTT. The purpose of this work is to determine DBTT by using several methodologies, and

make a comparative study between them. It was used an ASTM A-36 steel, with various

prestrain levels. Type A samples were made from a steel plate of 12.7mm in thickness to be

tested by Charpy impact test according to ASTM E23-2012 standard, at different

temperatures. Different definitions for DBTT are presented, discussed and used. The DBTT

value considering the null brittle behavior is the largest value among all, being the most

conservative value. When DBTT values were obtained from lateral expansion data, it was not

possible to notice any relation with prestrain condition. On the other hand, material transition

behavior when DBTT value is defined as the temperature for which a material presents 50%

of brittle fracture and 50% of ductile fracture is very similar between two conditions of

deformation, for both quantitative and qualitative methods of evaluation, although these

values are different from analytical results. Using scanning electron microscopy, it is possible

to visualize that in the portions where, from visual analysis, it is considered that a brittle

fracture occurs, there are also dimples characteristics of plastic deformation, which means that

a ductile fracture also occurs. It means that DBTT establishment by visual methods is not

quite precise. As a conclusion, it is established that the most indicate methodology for DBTT

determination is the one that determines as DBTT the temperature at which absorbed energy

is the average between superior and inferior absorbed energy, since it is a simple

methodology, easy to be done and to be reproduced, and the one that expresses material

behavior tendency in the best way, for materials deformed until 8.6% before impact test.

Key Words: DBTT, Toughness, Ductile-to-Brittle Transition Temperature, Impact testing

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Dimenses dos corpos de prova Tipo U normatizados na Rssia. ....................... 47

Tabela 2. Dimenses dos corpos de prova Tipo V normatizados na Rssia. ....................... 48

Tabela 3. Dimenses dos corpos de prova Tipo T normatizados na Rssia. ........................ 50

Tabela 4. Comparativo da TTDF obtida para diferentes materiais, por diferentes critrios. ... 56

Tabela 5 Valores de referncia para determinao da porcentagem de fratura dctil de um

corpo de prova de ensaio de impacto Charpy a partir da medio da rea de fratura por

clivagem. .................................................................................................................................. 59

Tabela 6 Valores de referncia para determinao da porcentagem de fratura dctil de um

corpo de prova de ensaio de impacto Charpy a partir da medio da rea de fratura por

clivagem (continuao)............................................................................................................. 60

Tabela 7. Valores da TTDF aps ajuste pelo mtodo da Tangente Hiperblica dos dados do

material A-508 estudado por Tanguy et al. (2007), ensaiado a 3 diferentes taxas de

deformao. .............................................................................................................................. 70

Tabela 8. Energia absorvida no patamar superior para cada tipo de entalhe adotado. ............ 74

Tabela 9. Comparao dos valores da TTDF-mEn obtidos para as diferentes geometrias do

entalhe adotados, a partir dos dados de Druce et al. (1987), calculados pelo Mtodo da

Tangente Hiperblica. .............................................................................................................. 76

Tabela 10. Propriedades mecnicas do ao API 5L X70 e resultados obtidos no ensaio de

impacto Charpy. ....................................................................................................................... 78

Tabela 11 Valores de TTDF-mEn obtidos a partir dos dados de Shin et al. (2006). ............ 79

Tabela 12. Resultados de energia absorvida no ensaio de impacto Charpy para o ao API 5L

X70, a diversas temperaturas, sendo que o material foi produzido a diversos graus de

deformao na etapa de acabamento da laminao. ................................................................. 80

Tabela 13. Resultados de TTDF-mEn para o ao API 5L X70 sob diversas condies de

deformao. .............................................................................................................................. 81

Tabela 14. Resultados do percentual de fratura dctil obtido nos ensaios de impacto Charpy

para o ao API 5L X70, a diversas temperaturas, sendo que o material foi produzido a

diversos nveis de deformao na etapa de acabamento da laminao. ................................... 82

Tabela 15 Valores de TTDF-mEn nas diferentes posies de retirada do corpo de prova,

conforme Figura 55. ................................................................................................................. 88

Tabela 16 Valores de TTDF-mEn do ao bifsico 590 ensaiado por Chao et al. (2005). ..... 94

Tabela 17 Valores de TTDF (em C) obtidos a partir do tratamento dos dados de ensaio de

impacto para 2 aos diferentes em 2 posies diferentes de retirada do corpo de prova. ........ 96

Tabela 18 Valores de TTDF (em C) obtidos para cada condio de deformao do material,

a partir dos valores de energia absorvida em funo da temperatura. .................................... 112

Tabela 19 Valores de TTDF (em C) obtidos para cada condio do material, utilizando os

dados de expanso lateral em funo da temperatura............................................................. 127

Tabela 20 Valores de TTDF (em C) obtidos para cada condio do material, pelo critrio

da porcentagem de fratura dctil qualitativo. ......................................................................... 133

Tabela 21 Valores de TTDF (em C) obtidos para cada condio do material, pelo critrio

da porcentagem de fratura dctil quantitativo. ....................................................................... 138

Tabela 22 Valores de TTDF (em C) obtidos para cada condio do material, pelos

diferentes critrios de avaliao. ............................................................................................ 139

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Navio com ruptura frgil devido fragilizao do material .................................... 23

Figura 2 - Grfico genrico de energia absorvida x temperatura obtido pelo ensaio de impacto

Charpy. ..................................................................................................................................... 24

Figura 3 - Faces de fratura de um material metlico ensaiado por ensaio de impacto Charpy a

diversas temperaturas, sendo T(a)

Figura 18 Comparativo entre 3 condies diferentes, quanto ao direcionamento de retirada e

confeco do entalhe do corpo de prova para ensaio Charpy, de ao baixo carbono laminado a

frio. ........................................................................................................................................... 42

Figura 19 Exemplos de corpos-de-prova no-normatizados utilizados na Rssia para o

desenvolvimento do ensaio de impacto naquele pas. .............................................................. 46

Figura 20 Corpos de prova Tipo U normatizados na Rssia. ............................................ 47

Figura 21 - Corpos de prova Tipo V normatizados na Rssia. ............................................. 48

Figura 22 - Corpos de prova Tipo T normatizados na Rssia. ............................................. 49

Figura 23 Grficos comparativos do fator concentrador de tenses em funo das

caractersticas dimensionais do corpo de prova e do entalhe. .................................................. 51

Figura 24 Formas de representao dos resultados do ensaio de impacto Charpy, em funo

do tipo de entalhe. ..................................................................................................................... 53

Figura 25 Faces de fratura obtidos em ensaios de impacto Charpy com corpos de prova do

ao API 5L X80 a diversas temperaturas. ................................................................................ 54

Figura 26 - Fotografias de referncia para avaliao das faces de fratura de corpos de prova

ensaiados por impacto. ............................................................................................................. 57

Figura 27 - Desenhos esquemticos de referncia para avaliao das faces de fratura do ensaio

de impacto Charpy. ................................................................................................................... 57

Figura 28 Desenho esquemtico de referncia apresentado na norma ASTM E23 para

avaliao da face de fratura do corpo de prova Charpy. .......................................................... 58

Figura 29 Indicao das dimenses para verificao da porcentagem de fratura dctil na

face de fratura de um corpo de prova ensaiado ao impacto. ..................................................... 60

Figura 30 Croqui das metades de um corpo de prova Charpy aps ensaio, indicando as

regies de medio da expanso lateral do corpo de prova (cotas A1, A2, A3 e A4) e sua

dimenso original (cotas W). .................................................................................................... 61

Figura 31 Metades de um corpo de prova Charpy aps ensaio, indicando as regies de

medio da expanso lateral do corpo de prova (cotas A1, A2, A3 e A4) e sua dimenso

original (cotas W). .................................................................................................................... 62

Figura 32 Dados experimentais de energia absorvida em funo da temperatura. ............... 63

Figura 33 Ilustrao da determinao dos parmetros A e B a partir dos dados experimentais

de energia absorvida em funo da temperatura, para ajuste da curva pelo mtodo da Tangente

Hiperblica. .............................................................................................................................. 64

Figura 34 Exemplo de grfico de energia absorvida em funo da temperatura da regio de

transio, para ajuste pelo mtodo da Tangente Hiperblica. .................................................. 64

Figura 35 Dados de energia absorvida em funo da temperatura ajustados pelo mtodo da

Tangente Hiperblica, e indicao da determinao da TTDF a partir desta curva. ................ 65

Figura 36 Grfico de energia absorvida em funo da temperatura e diferentes TTDFs que

podem ser obtidas a partir dele. ................................................................................................ 67

Figura 37 Grfico de expanso lateral em funo da temperatura e TTDF que pode ser

obtida a partir dele. ................................................................................................................... 67

Figura 38 Grfico de porcentagem de fratura dctil em funo da temperatura e diferentes

TTDFs que podem ser obtidas a partir dele. ............................................................................. 68

Figura 39 Grfico de energia absorvida em funo da temperatura e a determinao indireta

das TTDF-TDN e TTDF-TFN. ................................................................................................. 68

Figura 40 Grfico de expanso lateral em funo da temperatura e a determinao indireta

das TTDF-TDN e TTDF-TFN. ................................................................................................. 69

Figura 41 Curvas de energia absorvida em funo da temperatura ajustadas pelo mtodo da

Tangente Hiperblica confeccionado com os dados obtidos por Tanguy et al. (2007, p. 32).. 70

Figura 42 - Curva de energia absorvida em funo da temperatura dos corpos de prova tipo

Cv 8, ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). ................................. 71


Cv 8s, ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). ................................ 72


Cv 5, ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). ................................. 72


Cv 5s, ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). ................................ 73


Cu 5 ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). .................................. 73


Cv 2,5, ensaiados por ensaio de impacto Charpy por Druce et al. (1987). .............................. 74

Figura 48 Fratografia das faces de fratura dos corpos de prova ensaiados ao impacto com

entalhe tipo Cv8 a diversas temperaturas. ................................................................................ 75

Figura 49 - Curva de energia absorvida no ensaio de impacto Charpy em funo da

temperatura para o ao API 5L X70 com microestrutura composta principalmente por ferrita

acicular...................................................................................................................................... 77

Figura 50 - Curva de energia absorvida no ensaio de impacto Charpy em funo da

temperatura para o ao API 5L X70 com microestrutura composta por ferrita poligonal e

austenita retida. ......................................................................................................................... 78

Figura 51 - Registro das faces de fratura de corpos de prova do material API 5L X70, obtidos

a diversas deformaes, e ensaiados a diversas temperaturas. ................................................. 80

Figura 52 Curvas de energia absorvida em funo da temperatura do ao API 5L X70 sob

diversas condies de deformao no acabamento da laminao, ajustadas pelo critrio da

Tangente Hiperblica. .............................................................................................................. 81

Figura 53 Grfico da porcentagem de fratura dctil em funo da temperatura utilizando os

dados de Plaut et al. (2006). ..................................................................................................... 83

Figura 54 Resultados de energia absorvida em funo da temperatura para o ao API 5L

X70 ajustados pelo mtodo da Tangente Hiperblica. ............................................................. 84

Figura 55 Imagens das faces de fratura de um ao API 5L X70, ensaiado por ensaio de

impacto Charpy temperatura de 193K (-80C). a) velocidade 0,003 mm/s, (b) velocidade

1000 mm/s. ............................................................................................................................... 84

Figura 56 Imagens das faces de fratura de um ao API 5L X70, ensaiado por ensaio de

impacto Charpy temperatura de 213K (-60C). a) velocidade 0.01 mm/s, (b) velocidade

1000 mm/s. ............................................................................................................................... 85

Figura 57 Posies de retirada dos corpos de provado ao API 5L X80: a) com entalhe

transversal ao sentido de laminao, b) com entalhe paralelo ao sentido de laminao. ......... 86

Figura 58 Curva de energia absorvida em funo da temperatura ajustada pelo mtodo da

Tangente Hiperblica para as diferentes posies de confeco do entalhe, para uma mesma

posio de retirada do corpo de prova conforme Figuras 55a) e 55b). .................................... 87







Figura 61 Resultados de energia absorvida em funo da temperatura para um ao

inoxidvel dplex ensaiado por ensaio de impacto Charpy, a diversas temperaturas, e

indicao da Temperatura de Transio. .................................................................................. 89

Figura 62 - Faces de fratura de corpos de prova do ao UNS S31803, ensaiados por ensaio de

impacto Charpy, a diversas temperaturas (-196C, -73C, -30C, 21C, 70C). ..................... 90

Figura 63 - Resultados de energia abosrvida em funo da temperatura para o ao A508

ensaiado por ensaio de impacto Charpy, (a) sem o efeito da radiao no material e (b) com o

efeito da radiao no material. .................................................................................................. 91

Figura 64 - Curvas de energia absorvida em funo da temperatura de um ao bifsico

japons, ensaiados por ensaio de impacto Charpy, utilizando 3 diferentes dimenses. ........... 92

Figura 65 - Posicionamento de retirada dos corpos de prova para anlise do ao bifsico 590.

.................................................................................................................................................. 93

Figura 66 Grfico de energia absorvida em funo da temperatura ajustado pelo mtodo da

Tangente Hiperblica do material bifsico 590 ensaiado por Chao et al. (2005). ................... 94

Figura 67 - Orientao dos corpos-de-prova em relao ao sentido de laminao do material.

.................................................................................................................................................. 95

Figura 68 - Resultados de energia absorvida em funo da temperatura obtidos para 2 aos de

alta resistncia e baixa liga, tendo sido retirados corpos de prova nos sentidos longitudinal (L)

e transversal (T), conforme indicao na Figura 67. ................................................................ 96

Figura 69 - Faces de fratura de corpos de prova ensaiados ao impacto Charpy confeccionados

com ao ASTM A36. A linha superior indica a temperatura de ensaio (em C). .................... 97

Figura 70 Croqui de retirada dos corpos de prova na placa de ao ASTM A36. .................. 99

Figura 71 Microscpio ptico utilizado para avaliao da microestrutura do material. ..... 100

Figura 72 Material colocado na mquina de trao para realizao das deformaes

utilizadas nas tiras do material antes da retirada dos corpos de prova para ensaio de impacto

Charpy. ................................................................................................................................... 101

Figura 73 Serra de fita do Centro Universitrio da FEI utilizada para corte grosseiro dos

corpos de prova para ensaio de impacto Charpy. ................................................................... 101

Figura 74 Indicao do sentido de retirada do corpo de prova em relao ao sentido de

laminao do material. ............................................................................................................ 102

Figura 75 Corpos de prova confeccionados para realizao deste trabalho. ....................... 102

Figura 76 Registro do banho utilizado para imerso dos corpos de prova para atendimento

s temperaturas desejadas para ensaio dos materiais ao impacto e o posicionamento do

termopar utilizado para conferncia da temperatura. ............................................................. 103

Figura 77 Estufa utilizada para estabilizar os corpos de prova a temperaturas mais altas que

a ambiente, antes do ensaio de impacto Charpy. .................................................................... 104

Figura 78 Mquina de Ensaio Charpy do Centro Universitrio da FEI. ............................. 104

Figura 79 Projetor de Perfis do Centro Universitrio da FEI. ............................................. 105

Figura 80 Microscpio Eletrnico de Varredura do Centro Universitrio da FEI. ............. 105

Figura 81 Imagem de metalografia sem ataque para avaliao do nvel de incluses do

material da Placa 3. ................................................................................................................. 106

Figura 82 Microestrutura do material sem deformao, aps ataque de Nital 2%. Ferrita e

perlita so observadas. ............................................................................................................ 107

Figura 83 Microestrutura do material com 4,5% de deformao, aps ataque de Nital 2%.

Ferrita e perlita so observadas. ............................................................................................. 107

Figura 84 Microestrutura do material com 8,6% de deformao, aps ataque de Nital 2%.

Ferrita e perlita so observadas. ............................................................................................. 108

Figura 85 Curva tenso-deformao do material sem pr-deformao. A linha pontilhada

indica a inclinao referente ao trecho elstico-linear, e as linhas cheias vermelha e azul

esquematizam o trecho inicial das curvas tenso-deformao para os materiais com 4,5% e

8,6% de deformao respectivamente, indicando a reduo do mdulo de tenacidade com o

aumento da pr-deformao. .................................................................................................. 109

Figura 86 - Grfico de energia absorvida em funo da temperatura dos corpos de prova do

ao isento de deformao prvia ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da

Tangente Hiperblica. ............................................................................................................ 110


ao com 4,5% de deformao prvia ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da



ao com 8,6% de deformao prvia ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da


Figura 89 - Grfico da sobreposio das curvas de energia absorvida em funo da

temperatura ajustadas pelo mtodo da Tangente Hiperblica dos corpos de prova ensaiado nas

3 condies de pr-deformao. ............................................................................................. 112

Figura 90 Faces de fratura dos corpos de prova retirados da placa de material isento de

deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 66C. ....................................... 114

Figura 91 - Faces de fratura dos corpos de prova retirados da placa de material isento de

deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 21C. ....................................... 114


deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 9C. ......................................... 115


deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -2,7C. ..................................... 115


deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -11C. ...................................... 116


deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -29,3C. ................................... 116


deformao ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -49C. ...................................... 117

Figura 97 - Faces de fratura dos corpos retirados da placa de material isento de deformao

ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -196C. ........................................................ 117

Figura 98 - Faces de fratura dos corpos de prova retirados da placa de material com 4,5% de

deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 73C. ........................... 118


deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 20,3C. ........................ 118




deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -3C. ............................ 119


deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -11C. .......................... 120






deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -196C. ........................ 121




deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de 20,3C. ........................ 122




deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -3C. ............................ 123








deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy temperatura de -196C. ........................ 125

Figura 114 - Grfico da expanso lateral em funo da temperatura dos corpos de prova

retirados da placa de material sem deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy ajustado

pelo mtodo da Tangente Hiperblica. ................................................................................... 126

Figura 115 - Grfico da expanso lateral em funo da temperatura dos corpos de prova

retirados da placa de material com deformao prvia de 4,5%, ensaiados ao impacto Charpy

ajustado pelo mtodo da Tangente Hiperblica. .................................................................... 126

Figura 116 - Grfico da expanso lateral em funo da temperatura dos corpos prova retirados

da placa de material com deformao prvia de 8,6%, ensaiados ao impacto Charpy ajustado

pelo mtodo da Tangente Hiperblica. ................................................................................... 127

Figura 117 - Grfico da sobreposio das curvas de expanso lateral em funo da

temperatura ajustadas pelo mtodo da Tangente Hiperblica dos corpos de prova ensaiado nas

3 condies de deformao, e as faces de fratura de corpos de prova ensaiados s

temperaturas dos patamares superior e inferior e tambm prxima TTDF. ........................ 128

Figura 118 Exemplo de realizao da avaliao da porcentagem de fratura dctil qualitativa,

feita pela comparao da face de fratura com a referncia da norma ASTM E23 (2012). .... 129

Figura 119 - Grfico da porcentagem de fratura dctil (qualitativo) em funo da temperatura

dos corpos de prova retirados da placa de material sem deformao prvia, ensaiados ao

impacto Charpy ajustado pelo mtodo da Tangente Hiperblica. .......................................... 130


dos corpos de prova retirados da placa de material com deformao prvia de 4,5%, ensaiados

ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da Tangente Hiperblica. ..................................... 131


dos corpos de prova retirados da placa de material com deformao prvia de 8,6%, ensaiados

ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da Tangente Hiperblica. ..................................... 131

Figura 122 - Grfico da sobreposio das curvas de porcentagem de fratura dctil (qualitativo)

em funo da temperatura ajustadas pelo mtodo da Tangente Hiperblica dos corpos de

prova ensaiado nas 3 condies de deformao. .................................................................... 132

Figura 123 - Exemplo de realizao da avaliao da porcentagem de fratura dctil

quantitativa, feita pela medio da rea de fratura plana utilizando como referncia a figura da

norma ASTM E23 (2012). ...................................................................................................... 134

Figura 124 - Grfico da porcentagem de fratura dctil (obtida a partir da rea de fratura plana

ou por clivagem) em funo da temperatura dos corpos de prova retirados da placa de material

sem deformao prvia, ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da Tangente

Hiperblica. ............................................................................................................................ 135



com deformao prvia de 4,5%, ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da




com deformao prvia de 8,6%, ensaiados ao impacto Charpy ajustado pelo mtodo da


Figura 127 - Grfico da sobreposio das curvas de porcentagem de fratura dctil

(quantitativo) em funo da temperatura ajustadas pelo mtodo da Tangente Hiperblica dos

corpos de prova ensaiado nas 3 condies de deformao. .................................................... 137

Figura 128 - Avaliao da face de fratura de um corpo de prova ensaiado ao impacto a 66C

por tcnica de microscopia eletrnica de varredura. .............................................................. 140

Figura 129 - Avaliao da face de fratura de um corpo de prova ensaiado ao impacto a -196C


Figura 130 Avaliao da face de fratura de um corpo de prova ensaiado ao impacto a -2C



analisada pela tcnica de microscopia eletrnica de varredura. A seta contnua indica uma

regio de fratura dctil, enquanto a seta tracejada indica uma regio de fratura por clivagem.

................................................................................................................................................ 143


analisada pela tcnica de microscopia eletrnica de varredura. ............................................. 143







SUMRIO

1 INTRODUO E OBJETIVOS ...................................................................................... 22

2 ESTUDO DA TENACIDADE DOS MATERIAIS METLICOS................................ 27

2.1 O ensaio de impacto e sua utilizao para estudo da tenacidade dos materiais ...... 27

2.2 Efeito da geometria ....................................................................................................... 35

2.3 Efeito da taxa de deformao ....................................................................................... 38

2.4 Posicionamento de retirada do corpo de prova e de confeco do entalhe .............. 40

2.5 Histrico do desenvolvimento do ensaio de impacto Charpy ................................... 42

2.6 Resultados obtidos pelo ensaio de impacto ................................................................. 52

2.7 Abordagens para determinao da TTDF .................................................................. 54

2.7.1 Energia absorvida em funo da temperatura............................................................... 56

2.7.2 Comparao das superfcies de fratura com faces de fratura mostradas como referncia

na norma ASTM E23 (2012). ................................................................................................... 57

2.7.3 Avaliao da rea de fratura por clivagem. .................................................................. 58

2.7.4 Medio da expanso lateral do corpo de prova aps ensaio de impacto. ................... 61

2.8 O tratamento dos dados pelo mtodo da Tangente Hiperblica........................... 62

2.9 Definies da TTDF ...................................................................................................... 66

2.10 Reviso de dados disponveis na literatura e avaliao da TTDF. ......................... 69

3 MATERIAIS E MTODOS ............................................................................................. 98

3.1 Material Utilizado ......................................................................................................... 98

3.2 Mtodos ........................................................................................................................ 100

4 RESULTADOS E DISCUSSO ..................................................................................... 106

4.1 Anlise Microestrutural ............................................................................................. 106

4.2 Ensaio de Trao ......................................................................................................... 108

4.3 Ensaio de Impacto ....................................................................................................... 109

4.3.1 Anlise por critrio de energia ...................................................................................... 109

4.3.2 Anlise por critrio da expanso lateral ........................................................................ 113

4.3.3 Anlise da porcentagem de fratura dctil (qualitativo) ................................................. 129

4.3.4 Anlise da porcentagem de fratura dctil (quantitativo) ............................................... 133

4.4 Comparativo entre as TTDFs obtidas ....................................................................... 138

5 CONCLUSES ................................................................................................................ 147

APNDICE A ....................................................................................................................... 153

22

1 INTRODUO E OBJETIVOS

Os aos estruturais so materiais utilizados em praticamente todos os campos da

construo e da indstria, como na gerao de vapor, no circuito de fabricao do acar e do

lcool, no armazenamento de ar comprimido nas indstrias, em instalaes de usinas

nucleares, nas construes civil, naval ou aeronutica.

O interesse no estudo do comportamento dos materiais em funo da temperatura

iniciou-se na Segunda Guerra Mundial, quando se observou que no inverno alguns navios

partiam-se ao meio, apresentando fratura frgil, tendo estes sido construdos com juntas

soldadas de materiais com boa ductilidade, quando ensaiados em temperatura ambiente. A

ocorrncia deste tipo de falha tambm foi verificada em linhas de tubulao de petrleo, vasos

de presso e pontes de estrutura metlica (GARCIA et al., 2008, p.154).

Diante desse contexto, torna-se ento uma das principais preocupaes dos

pesquisadores, e tambm dos engenheiros de aplicao dos materiais, prever em quais

condies provavelmente uma fratura frgil ocorrer, j que este um tipo de colapso que

ocorre abruptamente, no sendo possvel esperar que se inicie para que ento alguma

providncia seja tomada.

A Figura 1 traz um exemplo de fratura catastrfica de um navio ainda aportado em

guas consideradas geladas, mostrando a gravidade que este tipo de falha representa para a

sociedade e a economia, e deste modo percebe-se que o contnuo estudo do comportamento

dos materiais utilizados se faz necessrio, de forma a garantir sua integridade estrutural e

consequentemente a segurana em sua utilizao.

O episdio dos navios de classe Liberty na 2 Guerra Mundial, quando navios

atracadados apresentavam fratura frgil similar condio mostrada na Figura 1, sem razo

aparente e que surgiam de maneira totalmente inesperada, trouxe tona a necessidade de

determinar uma temperatura limite, abaixo da qual o comportamento fratura do material se

altera de dctil para frgil, de maneira a prever e evitar ocorrncias de fratura frgil

catastrfica. A essa temperatura se deu o nome de Temperatura de Transio Dctil-Frgil

(TTDF) dos materiais. Entretanto, em certo momento surgiu a necessidade de encontrar uma

alternativa que pudesse substituir os caros ensaios destrutivos que simulavam as condies de

falha dos componentes em condies reais (HERTZBERG, 1995, p. 375). Atualmente, pode-

se utilizar a afirmao de Horath (1995, p. 281) para auxiliar nesta definio. Este autor diz

que h 4 consideraes principais que devem ser feitas no momento de selecionar o tipo de

23

ensaio a realizar, que so: o propsito do teste, a preciso desejada para o teste, qual

equipamento disponvel mais simples, e ainda qual o mais econmico. Alm disso,

importante considerar as propriedades do material e lembrar das condies de uso s quais

este material ser submetido para ento definir o teste mais apropriado a realizar.

Figura 1 - Navio com ruptura frgil devido fragilizao do material

Fonte: Callister, 2005, p. 282

Na poca da Segunda Guerra, entretanto, muito pouco sobre o assunto havia sido

documentado e, dentre os ensaios disponveis, o ensaio de impacto Charpy foi ento

considerado o ensaio que mais se adequava s necessidades para o estudo deste assunto, e

permanece at hoje com ampla utilizao para este fim. Levantando-se os dados de absoro

de energia de um material metlico de estrutura cristalina CCC, em diversas temperaturas,

pode-se determinar a TTDF deste material. Usualmente, v-se que ocorrem dois patamares de

energia absorvida, chamados de patamar inferior e patamar superior, e uma regio entre

eles, chamada de zona de transio, conforme apresentado na Figura 2.

24

Figura 2 - Grfico genrico de energia absorvida x temperatura obtido pelo ensaio de impacto Charpy.

Fonte: Autora

Sabe-se, portanto, que em temperaturas correspondentes ao patamar inferior de

absoro de energia, o material apresentar fratura predominantemente frgil, enquanto que

em temperaturas correspondentes ao patamar superior de absoro de energia, o material

apresentar fratura predominantemente dctil. Difcil tarefa, entretanto, determinar a TTDF,

que ser uma temperatura de referncia para a mudana de comportamento fratura do

material, de dctil para frgil, com a diminuio da temperatura. A Figura 3 mostra um

material metlico ensaiado a 4 diferentes temperaturas por ensaio de impacto Charpy.

possvel verificar que a face de fratura se apresenta de maneiras diferentes, variando de uma

fratura de aspecto 100% brilhante para 100% opaco, sendo esta uma caracterizao feita

exclusivamente pela observao visual da face de fratura, tornando possvel estabelecer uma

temperatura a partir da qual a mudana no micromecanismo de fratura ocorre.

25

Figura 3 - Faces de fratura de um material metlico ensaiado por ensaio de impacto Charpy a diversas

temperaturas, sendo T(a) < T(b) < T(c) < T(d)

Fonte: Meyers e Chawla, 1999, p.435

Entretanto, seria necessrio um critrio adequado para definir a TTDF, pois somente

pela avaliao desses corpos de prova fraturados, uma determinao adequada seria difcil na

prtica experimental.

Para isso, pode-se utilizar a metodologia indicada na norma ASTM E23 (2012), que

a norma de execuo do ensaio de impacto. Entretanto, o mtodo de comparativo visual

descrito na norma bastante impreciso, pois as fotografias a serem utilizadas para

comparao com as faces de fratura dos corpos de prova ensaiados apresentam pouca

qualidade, tornando a comparao difcil e com grande possibilidade de erros. Desta forma, a

aplicao de outras metodologias para determinao da TTDF se faz importante. No mtodo

mais simples, a TTDF determinada a partir da curva de energia absorvida em funo da

temperatura, e um critrio possvel neste cenrio considerar que a TTDF a temperatura

onde se atinge a mdia de energia entre os patamares superior e inferior da curva.

Diante deste contexto, o objetivo deste trabalho realizar a determinao da TTDF

utilizando suas vrias definies, e realizar um estudo comparativo entre elas. Ser utilizado o

ao ASTM A-36 (2008), em trs graus de deformao (condio como recebida, com 4,5% e

8,6% de deformao longitudinal uniaxial), por ser um ao estrutural de ampla utilizao.

Corpos de prova tipo A foram confeccionados para ensaio de impacto Charpy

conforme norma ASTM E23 (2012). Diferentes temperaturas de ensaio foram utilizadas,

visando abranger desde as temperaturas para as quais se espera que o material de interesse

26

apresente fratura 100% frgil at as temperaturas para as quais ocorre fratura 100% dctil,

possibilitando a determinao da TTDF utilizando diferentes metodologias.

27

2 ESTUDO DA TENACIDADE DOS MATERIAIS METLICOS

Devido complexidade e aos diversos fatores que impactam nos resultados obtidos no

ensaio de impacto, nesta seo encontram-se subsees descrevendo cada condio relevante

que influencia os resultados deste ensaio, as diferentes informaes que podem ser obtidas

pela realizao do ensaio de impacto, assim como um histrico do desenvolvimento do ensaio

de impacto Charpy, as diversas abordagens para definio da TTDF e uma reviso de dados

disponveis na literatura, ilustrando as diferentes utilizaes do ensaio de impacto Charpy.

2.1 O ensaio de impacto e sua utilizao para estudo da tenacidade dos materiais

A separao ou fragmentao de um corpo slido em duas ou mais partes, pela ao de

um esforo, chamada fratura (MEYERS; CHAWLA, 1999, p. 326), e a capacidade de

absorver energia at que essa fratura ocorra a tenacidade do material que constitui este corpo

slido. Em termos de solicitaes estticas, a tenacidade de um material pode ser avaliada por

meio de um grfico de tenso em funo da deformao obtido por ensaio de trao (Figura

4), correspondendo rea abaixo da curva at seu ponto de fratura.

Figura 4 - Curva tenso em funo da deformao e indicao da rea abaixo da curva, evidenciando o mdulo

de tenacidade do material ensaiado.

Fonte: Autora

Te

ns

o -

S [

MP

a]

Deformao - e [%]

Tenso limite de ruptura

Tenso limite de escoamento

Tenso limite de resistncia

X

28

O ensaio de trao, entretanto, no mostra a resposta do material em condies de

impactos abruptos, ou de elevadas taxas de deformao, j que h materiais cujas

propriedades so diferentes, dependendo da taxa de deformao aplicada. Se uma carga muito

menor for aplicada repentinamente, o que caracteriza uma solicitao dinmica ou um teste

dinmico, o material pode falhar e aparentar ter menor resistncia do que teria caso a mesma

carga fosse aplicada de forma gradativa (HORATH, 1995, p. 356). Sendo assim, considerando

que o desempenho de alguns materiais diretamente dependente da maneira como se aplica a

carga, para situaes de solicitaes dinmicas o ensaio de impacto amplamente utilizado,

particularmente quando h a necessidade de se estudar o comportamento dos materiais na

transio do comportamento de fratura com micromecanismo dctil para frgil, como funo

da temperatura (GARCIA et al. 2008, p. 156). Isso se d tambm, pois, dentre suas vantagens,

est o baixo custo e a relativa simplicidade na realizao do mesmo (SILVA, 1998).

Askeland e Phul (2006, p. 212) tambm comentam que o ensaio de impacto uma

maneira rpida, conveniente e barata para comparar diferentes materiais, e justificam isso

lembrando que nem sempre o valor de energia necessrio para ruptura de um material, quando

solicitado por trao, o mesmo valor de energia requerido para ruptura de um material

ensaiado por impacto. Alm disso, citam que, em geral, verdade que metais que apresentam

alta resistncia e alta ductilidade no ensaio de trao apresentam boa tenacidade, mas que isso

deixa de ser verdade absoluta quando so consideradas altas taxas de deformao, como o

caso apresentado pelo ensaio de impacto.

Basicamente, o ensaio consiste em promover a queda de um pndulo de uma altura

conhecida sobre a pea que se quer ensaiar. Um desenho esquemtico do aparato

experimental para ensaio de impacto encontra-se na Figura 5.

29

Figura 5 - Equipamento para ensaio de impacto.

Fonte: Garcia et al., 2008, p. 155

O pndulo liberado de uma altura conhecida - posio inicial da Figura 5 e se

choca com o corpo de prova. Aps este choque, o pndulo sobe novamente at uma altura

menor que a inicial posio final indicada na Figura 5.

Garcia et al. (2008) comentam que apesar da praticidade e das vantagens do ensaio de

impacto, preciso atentar padronizao do corpo de prova, por motivos que sero

esclarecidos a seguir, e s condies do ensaio, sendo elas um suporte rgido para apoio do

corpo de prova, um pndulo de massa conhecida e um dispositivo de escala para medir as

alturas de soltura do pndulo e sua altura posteriormente ao impacto com o corpo de prova.

Esses requisitos so essenciais para garantir a reprodutibilidade do ensaio. Fazendo isso,

quando se ensaiam diversos materiais sob as mesmas condies do ponto de vista da execuo

do ensaio, ser possvel ento comparar as caractersticas desses materiais com a certeza de

que no h outras interferncias nos resultados obtidos. Horath (1995, p. 358) acrescenta que

a fundao da mquina, as caractersticas do martelo e a velocidade de soltura tambm so

itens que devem ser devidamente padronizados. O mesmo autor tambm diz que, no sistema

de soltura da massa que atingir o corpo de prova, no deve haver movimentao lateral do

pndulo, nem vibrao que possa gerar perda de energia, e o martelo deve ser pesado o

suficiente para que eventuais perdas de energia que ocorram no sistema, e que no sejam

30

desprezveis, no sejam suficientes para invalidar o ensaio por no permitirem a quebra do

corpo de prova.

Horath (1995, p. 356) diz que para entender o que ocorre no ensaio de impacto

necessrio analisar o ensaio do ponto de vista da transferncia, absoro e dissipao de

energia. Isso se justifica, pois a diferena entre as alturas inicial e final do pndulo pode ser

relacionada quantidade de energia absorvida pelo corpo de prova, conforme o princpio de

conservao de energia. O mesmo autor comenta ainda que pode ocorrer deformao plstica

dos elementos do sistema, e por consequncia do efeito de histerese nas partes, frico entre

os elementos que interagem entre si e efeitos de inrcia das partes mveis, podem ocorrer

perdas de energia ao sistema.

Davim e Magalhes (2004) representam o equilbrio de energias citado anteriormente

com a Equao (1), na forma:

, (1)

onde a energia mecnica envolvida no ensaio, a energia cintica, a energia

potencial e a energia perdida por energia calorfica dissipada, energia elstica

absorvida pela mquina, sendo esta ltima normalmente desprezvel. Sendo assim,

considerando que a energia mecnica do sistema ser constante, ou seja, a energia mecnica

inicial do sistema ser a mesma que a sua energia mecnica final, matematicamente o

mesmo que escrever a Equao (2).

. (2)

Utilizando a Figura 6 como referncia, pode se utilizar o curso que o pndulo realiza

desde o momento da sua soltura, passando pelo impacto no corpo de prova at o ponto mais

alto atingido antes de iniciar o movimento de retorno, que a sua altura mxima final, para

avaliar as condies de energia que ocorrem durante o ensaio.

31

Figura 6 - Representao esquemtica do percurso que o pndulo percorre durante o ensaio de impacto.

Fonte: Autora

Considerando a posio inicial Pi da Figura 6, no momento exatamente anterior

soltura do pndulo, tem-se que a Energia Mecnica do sistema quando o pndulo encontra-se

neste ponto equivale mxima energia potencial e energia cintica nula, podendo portanto ser

expressa pela Equao (3):

, (3)

sendo a massa utilizada no pndulo em kg, a acelerao da gravidade em m.s-2 e a

altura da queda, em m.

J quando o pndulo encontra-se no ponto Pf, a energia do sistema a energia

potencial existente no pndulo descontada a energia absorvida pelo corpo de prova no

momento do impacto, , e desprezando as perdas do sistema, gera-se a Equao (4):

. (4)

Substituindo as Equaes (3) e (4) na Equao (2), obtm-se que a energia absorvida

pelo corpo de prova equivale energia perdida pelo pndulo no momento do impacto, que se

revela pela sua perda de altura. Matematicamente, portanto, obtm-se:

(5)

32

sendo a diferena de alturas que o pndulo apresenta.

Quando se fala da utilizao do ensaio de impacto Charpy para avaliao de

tenacidade e determinao da TTDF de um material, fala-se da avaliao do modo de falha do

material a diversas temperaturas, ou seja, deseja-se verificar se a falha ocorre de forma dctil

ou frgil a uma determinada temperatura. Lembrando que a fratura frgil o modo mais

crtico de falha, pois ocorre de maneira abrupta, objetiva-se utilizar o material a uma

determinada condio onde isso no ocorra. Portanto, necessrio entender quando este tipo

de fratura pode ocorrer para ento poder evit-la.

Garcia et al. (2008) citam que trs so os fatores principais que contribuem para o

surgimento da fratura frgil em materiais que normalmente so dcteis temperatura

ambiente: a existncia de um estado triaxial de tenses, baixas temperaturas e taxa de

deformao elevada. A existncia do entalhe no corpo de prova padronizado, a possibilidade

de ensaiar materiais a diversas temperaturas e o maquinrio que permite que a carga seja

aplicada no material de maneira abrupta, fazem do ensaio Charpy um dos mais utilizados no

estudo deste assunto.

O entalhe no corpo de prova gera um estado triaxial de tenses, por se tratar de um

concentrador de tenses. Sem o entalhe, o corpo de prova deformaria plasticamente, e poderia

no quebrar, o que invalidaria o ensaio (HORATH, 1995, p. 358). Mostra-se na Figura 7 os

trs tipos diferentes de entalhe que podem ser utilizados no ensaio de impacto Charpy

segundo a norma ASTM E23 (2012), e na Figura 8 a forma com a qual esse corpo de prova

apoiado para que o pndulo o atinja durante o ensaio. Cabe comentar que o corpo de prova

tipo A o mais utilizado, uma vez que o entalhe em V deste tipo de corpo de prova cria

uma condio mais crtica de ensaio.

33

Figura 7 - Formatos de corpo de prova para ensaio de impacto apresentados na norma ASTM E23.


Figura 8 Posicionamento de um corpo de prova tipo A para ensaio de impacto Charpy.


A concentrao de tenses gerada pela utilizao do entalhe em um corpo de prova

confeccionado para realizao de ensaio de impacto Charpy gera diferentes resultados quando

se comparam diferentes estruturas cristalinas dos materiais. Callister (2002) comenta que

materiais de estrutura CFC, como a fase austentica da matriz de aos inoxidveis

34

austenticos, permanecem dcteis mesmo em temperaturas extremamente baixas, porm os

materiais de estrutura CCC, como a fase ferrtica dos mesmos aos, apresentam este tipo de

transio. Garcia et al. (2008), por sua vez, apresenta o grfico da Figura 9, comparando um

ao inoxidvel de estrutura CFC e um ao 0,6% de carbono cuja estrutura cristalina CCC,

para evidenciar a diferena no comportamento do material quanto transio dctil-frgil,

considerando o efeito da temperatura no comportamento do material. Meyers e Chawla (1999,

p. 241) justificam esse efeito comentando que, com o aumento da temperatura ocorre tambm

um aumento na amplitude de vibrao dos tomos do material, embora a frequncia seja

mantida, causando a dilatao trmica. Com isso, alteram-se o posicionamento atmico e as

foras interatmicas atuantes. Sabendo-se que a fratura ocorre pelo distanciamento dos

tomos do material at um ponto crtico a partir do qual as foras de ligao atmicas no so

suficientes para mant-los ligados, se h alterao nesse equilbrio de foras, haver tambm

alterao no comportamento do material quanto sua ruptura.

Figura 9 Curvas caractersticas de energia absorvida em funo da temperatura para materiais com diferentes

estruturas cristalinas


Alm do efeito da estrutura cristalina do material, h outras condies que impactam

diretamente nos resultados obtidos no ensaio de impacto, os quais sero relatados a seguir.

35

2.2 Efeito da geometria

As dimenses do corpo de prova, a forma e o tamanho do entalhe utilizados

determinam um dado estado de tenses que no se distribui de modo uniforme por todo o

corpo de prova. As Figuras 10 e 11 mostram como ocorre essa distribuio de tenses no

material devido a um concentrador de tenses existente para os estados plano de tenso e

plano de deformao, respectivamente.

Figura 10 - Distribuio elstica de tenses para estado plano de tenso (supondo desprezvel a espessura).

Fonte: Davim e Magalhes, 2004, p. 124

36

Figura 11 - Distribuio elstica de tenses para estado plano de deformao.

Fonte: Davim e Magalhes, 2004, p. 125

No caso do entalhe utilizado no ensaio de impacto Charpy, a tenso transversal na

base do entalhe depende da relao entre a largura na parte entalhada do corpo de prova e do

raio do entalhe. Quanto maior for esta relao, maior ser a tenso transversal. Sobre isso,

Askeland e Phul (2006, p. 212) justificam que o tamanho do corpo de prova impacta nos

resultados obtidos no ensaio de impacto, pois uma vez que mais difcil para um material

espesso se deformar, sua ruptura ocorre com menor absoro de energia, o que caracteriza

menor tenacidade. Por isso, esse ensaio no fornece um valor quantitativo da tenacidade do

material: ele representa apenas a tenacidade para um dado estado de tenses, causado pela

geometria do entalhe e do corpo de prova utilizados. Sendo assim, a forma do entalhe, bem

como a temperatura, o tipo de material ensaiado e as dimenses do corpo de prova utilizado

devem ser fornecidos juntamente com as respostas do ensaio, pois so fatores relevantes do

mesmo.

Hertzberg (1996, p. 289) comenta a influncia do entalhe (ou de um concentrador de

tenses qualquer) ressaltando que a diferena de comportamento de um material muito dctil

para um material pouco dctil se d em relao deformao que ocorre na ponta de um

entalhe. Quando a zona plstica pequena, a tenacidade do material baixa, e o material

classificado como frgil. Por outro lado, quando a plasticidade ocorre numa extenso grande

longe da ponta da trinca, a energia para que haja a fratura alta, e o material pode deformar

plasticamente, sendo necessrio grande esforo para romper esta regio plstica. A Figura 12

37

mostra a diferena entre os materiais, para um exemplo de placa plana com trinca central, e a

regio de deformao plstica existente entre eles, conforme discutido por Hertzberg (1996, p.

289).

Figura 12 - Extenso de zona plstica caracterizando ocorrncia de fraturas dctil e frgil num corpo de prova

que apresente uma trinca central.

Fonte: Hertzbert, 1995, p. 289

Hertzberg (1996, p. 387) mostra tambm a influncia das dimenses do corpo de prova

nos resultados dos ensaios de impacto Charpy, atravs de um comparativo sobre os resultados

de energia absorvida e de porcentagem de fratura dctil em funo da temperatura de ensaio,

o que tem influncia sobre a determinao da zona de transio e portanto da TTDF do ao

em questo. V-se no grfico da Figura 13 que para o mesmo material, seu comportamento

modificado tanto considerando a energia absorvida quanto a porcentagem de fratura dctil em

funo da temperatura conforme ocorre a mudana na espessura do corpo de prova.

38

Figura 13 - Curvas de energia absorvida e porcentagem de fratura dctil em funo da temperatura para corpos

de prova do ao A-283 testados com diversas espessuras.

Fonte: Hertzberg, 1996, p. 387

Askeland e Phul (2006, p. 212) tambm comentam sobre a influncia do entalhe na

tenacidade do material, e acrescentam que alm da presena do entalhe, importante tambm

atentar qualidade da usinagem deste entalhe, uma vez que esta operao, se realizada

grosseiramente, pode resultar numa condio ainda mais crtica quanto concentrao de

tenses, o que pode ser extremamente crtico para materiais que apresentem grande

sensibilidade ao entalhe.

2.3 Efeito da taxa de deformao

Hertzberg (1996, p. 375) comenta que uma primeira aproximao para avaliar o

quanto um material tem suas propriedades alteradas pela existncia de um entalhe e pela taxa

de deformao pode ser estimada utilizando resultados de ensaio de trao desses materiais,

utilizando corpos de prova entalhados e diversas taxas de deformao na realizao do ensaio.

Quando a taxa de deformao baixa, o estado biaxial ou triaxial de tenses que criado na

ponta do entalhe eleva a curva tenso-deformao, permitindo uma tenso maior do que

ocorreria em um corpo de prova sem entalhe. A Figura 14 mostra a diferena entre as curvas

tenso-deformao obtidas para os materiais nas diversas condies. No caso de materiais que

39

apresentam pouca capacidade de deformao plstica, o entalhe aumenta a tenso local em

nveis to altos que a deformao plstica nem mesmo ocorre, propiciando a ocorrncia de

fratura frgil, como mostra a Figura 15.

Figura 14 - Exemplo de como a curva tenso-deformao de um material pode ser alterada pela utilizao de

entalhe no corpo de prova.


Figura 15 - Exemplo de que a insero de um entalhe propicia a ocorrncia de fratura frgil em materiais com

pouca capacidade de deformao plstica.


40

Comentado isso, Hertzberg (1996, p. 375) tambm cita que o ensaio de impacto

Charpy representa uma condio mais severa de utilizao do material, j que o corpo de

prova entalhado submetido a uma altssima taxa de deformao, pois precisa absorver o

impacto da queda do pndulo. Alm disso, este ensaio ainda permite a sua realizao a

diversas temperaturas, aumentando ainda mais a severidade do teste.

Para ilustrar o efeito da taxa de deformao, Hertzberg (1996, p. 393) cita que o

material ASTM A36 pode ter sua temperatura de transio reduzida em 89C se a taxa de

deformao for alterada, embora no diga de quanto foi essa alterao na taxa.

Minami et al. (2002) analisaram o estado de tenses de corpos de prova entalhados

para ensaio de impacto Charpy em aos estruturais de alta resistncia. Por meio de anlise

pelo Mtodo dos Elementos Finitos, obtiveram a taxa de deformao em vrios pontos, a

partir da ponta do entalhe. A Figura 16 traz esse grfico para dois aos a duas temperaturas

diferentes, que mostra que esta taxa extremamente alta na ponta do entalhe, reduzindo-se

substancialmente ao se distanciar do concentrador de tenses.

Figura 16 - Taxa de deformao obtida em corpos de prova entalhados para ensaio de impacto Charpy, a diversas

distncias da ponta do entalhe.

Fonte: Minami et al., 2002

2.4 Posicionamento de retirada do corpo de prova e de confeco do entalhe

Ainda sobre o corpo de prova, cabe tambm comentar que a posio de retirada deste

corpo de prova e o posicionamento do entalhe tambm impactam nos resultados obtidos, pois

41

tambm alteram o estado de tenses ao qual o corpo de prova ser submetido. So indicadas

na Figura 17 trs possibilidades de retirada e posicionamento do entalhe em corpos de prova

para ensaio de impacto Charpy de uma chapa laminada.

Figura 17 Possibilidades de posicionamento para retirada do corpo de prova do ensaio Charpy e localizao do

entalhe.


Utilizando corpos de prova de ao baixo carbono laminado a frio ensaiados ao impacto

como exemplo, obtm-se as curvas de energia absorvida em funo da temperatura mostradas

na Figura 18.

42

Figura 18 Comparativo entre 3 condies diferentes, quanto ao direcionamento de retirada e confeco do

entalhe do corpo de prova para ensaio Charpy, de ao baixo carbono laminado a frio.


No corpo de prova C, o entalhe est perpendicular ao sentido de laminao (e ao

fibramento microestrutural consequente), sendo portanto a pior condio de absoro de

energia, enquanto que o corpo de prova B encontra-se orientado transversalmente s fibras do

material, o que favorece a condio de absoro de energia. O corpo de prova A, entretanto,

tambm apresenta entalhe que corta as fibras transversalmente, mas atravessa o ncleo da

chapa, apresentando uma condio intermediria de absoro de energia. Davim e Magalhes

(2004, p. 122) comentam que esta diferena de comportamento se d por conta da anisotropia

apresentada por alguns materiais, principalmente quando submetidos a deformao mecnica

durante sua fabricao.

2.5 Histrico do desenvolvimento do ensaio de impacto Charpy

At a definio dos padres de ensaio discutidos anteriormente, entretanto, um longo

caminho foi percorrido pelos estudiosos.

Embora o uso efetivo do ensaio de impacto tenha ocorrido aps a Segunda Guerra

devido ao episdio dos navios da classe Liberty, antes disso o ensaio de impacto j havia sido

relatado por Russel (1898) de maneira parecida com o que conhecido atualmente.

Tth et al. (2002) relatam que o interesse na caracterizao do comportamento dctil

ou frgil dos materiais se deu ainda no incio do Sculo XIX, pois um grande nmero de

43

falhas ocorreram nos trilhos das estradas de ferro localizadas nas cidades industriais nesse

perodo. Falhas inesperadas e inexplicveis at ento continuaram ocorrendo entre 1840 e

1860, causando acidentes catastrficos, uma vez que no havia deformao aparente que

anunciasse falha iminente do componente. Tornou-se ento prioridade evitar, ou ao menos

limitar e controlar essas falhas inesperadas. Lembrando da Revoluo Industrial que ocorria

neste perodo, a utilizao do ao como material para construo aumentou vertiginosamente

(de 20% para 80% de todo o material utilizado na poca), e surgiram ento duas grandes

necessidades: conhecer o comportamento dos metais nas mais diversas aplicaes, e unificar

os mtodos de caracterizao deles, de forma a definir critrios de aceitao desses materiais.

Russel (1898) descreveu em seu trabalho no apenas seus resultados de ensaios de

materiais ao impacto, mas os diversos tipos de corpos de prova utilizados com justificativas e

descries para as diferentes aplicaes de cada um, a descrio dos diversos materiais

utilizados para verificar a aplicao do teste a cada caso, e tambm como deveria ser a

mquina para realizao desses ensaios, o que era o principal objetivo do seu trabalho, que foi

nomeado como Experiments with a New Machine for Testing Materials by Impact. Este

trabalho foi apresentado na American Society of Civil Engineers, e considerado na poca

como algo pioneiro que traria conhecimento diferenciado a toda a comunidade cientfica.

Apesar de no ter sido o primeiro a tratar do assunto, G. Charpy passou a ter seu nome

atribudo ao ensaio na primeira metade dos anos 1900, devido sua contribuio e empenho

para o desenvolvimento de um procedimento que tornasse este ensaio uma robusta ferramenta

de engenharia. Charpy (1901) citou em seu trabalho vrias metodologias anteriormente

utilizadas para realizao do ensaio de impacto, incluindo a utilizada por Russel (1898),

comentando suas principais diferenas, e ento comentando que a comparao dos resultados

obtidos pelos diferentes estudiosos no seria possvel, uma vez que no havia

reprodutibilidade do ensaio. Iniciou, ento, a discusso de como mudanas nas variveis do

ensaio afetaria seu resultado, a partir dos resultados obtidos em seus ensaios de impacto em

diversas condies. Aps a realizao dos ensaios em materiais com e sem entalhe, Charpy

comparou os resultados com ensaios de trao, at ento o ensaio mais utilizado para

caracterizao dos materiais.

Tth et al. (2002), relatam que apenas em 1905 Charpy trouxe comunidade cientfica

a proposta de uma mquina, significativamente similar quela que utilizada nos dias atuais,

que tornasse possvel a realizao do ensaio de impacto de maneira padronizada, e a partir

deste ano comea-se a encontrar as referncias Ensaio Charpy e Mtodo Charpy na

44

literatura sobre o assunto. Em 1906 Charpy tornou-se responsvel pelas atividades referentes

ao ensaio de impacto realizadas pela International Association for Testing of Materials

(IATM), e presidiu discusses visando estabelecer um procedimento suficientemente

reprodutvel que pudesse se tornar um ensaio padro. A importncia da geometria do entalhe

(profundidade e raio do entalhe principalmente), da velocidade de impacto, do tamanho do

corpo de prova, das condies de maquinrio necessrias para o teste e as possibilidades de

aplicao prtica do ensaio foram temas longamente discutidos a partir de 1906.

Enquanto os detalhes que posteriormente envolveriam este procedimento experimental

eram mundialmente discutidos (inmeros fruns de discusso foram estabelecidos para este

fim), o ensaio Charpy j era utilizado e se mostrava adequado para reduzir os riscos de falha

de componentes em servio. Em 1912, empresas em Liege e Jeumont realizaram mais de

10.000 ensaios de impacto por ms. A partir dos resultados obtidos, verificou-se a relao de

algumas caractersticas dos materiais, como composio qumica, defeitos internos e

tratamento trmico dos materiais com a sua tenacidade. Isso levou ao ajuste em seu processo

de fabricao, de forma a atingir os novos critrios de aceitao estabelecidos a partir desses

estudos (TTH et al., 2002). Ainda em 1912, Charpy mais uma vez mostrou seu interesse no

assunto, publicando um artigo na IATM (1912) apontando as condies para assegurar a

compatibilidade de ensaios de impacto em barras entalhadas, e promovendo mais discusses

sobre o tema. Apesar de todos os estudos, apenas em 1933 um procedimento, mesmo que

provisrio, foi emitido pela American Society for Testing and Materials (ASTM), segundo

Tth et al. (2002). Muitas revises deste procedimento ocorreram at que a norma ASTM E-

23 se estabeleceu como norma mundialmente utilizada para a execuo do ensaio de impacto

Charpy, que apesar de ter sido adotada em muitas organizaes no mundo, no era um

consenso de que deveria ser adotada como parmetro para liberao de materiais, at que

ento foi reconhecido como uma maneira eficaz para verificar a transio dctil-frgil de um

material. Isso provavelmente s ocorreu durante a Segunda Guerra, aps os episdios dos

navios da classe Liberty. Segundo Tth (2002), foi na investigao desses casos que os

estudiosos chegaram concluso de que aquelas ocorrncias de fratura frgil no tinham

relao direta com composio qumica, ou com propriedades dos materiais obtidas por

ensaios estticos, ou ainda com microestrutura daqueles materiais. Alm disso, o U.S.

National Bureau of Standards, rgo responsvel pelas investigaes, incluiu em seu relatrio

a recomendao de que materiais cuja aplicao envolvesse entalhes, baixas temperaturas ou

carregamentos abruptos deveriam ser especificados contemplando um valor mnimo de

45

tenacidade, que seria de 20J, embora neste relatrio do U.S. National Bureau of Standards no

se cite a qual temperatura este valor de energia absorvida deveria ser atingido (WILLIAMS,

1948 apud TTH, 2002). Infelizmente, nesta referncia no fica claro quando tal relatrio foi

emitido, pois comenta apenas que isso ocorreu aps a 2 Guerra.

Na Rssia, estudos envolvendo o ensaio de impacto foram desenvolvidos no incio do

sculo passado, conforme relatam Makhutov, Morozov e Matvienko (2002). Segundo eles,

em 1939 Vitman e Stepanov mostraram que havia uma relao entre a tenacidade do material

e a temperatura na qual o mesmo era solicitado, assim como com o formato e tamanho do

corpo de prova. Viu-se que a diminuio da espessura do corpo de prova movia a temperatura

de transio para menores temperaturas, e um aumento no tamanho do corpo de prova trazia

aumento na temperatura de transio. Depois disso, em 1946, Drozdovsky discutiu que a

questo relativa energia absorvida por um material pode ser descrita como a energia

necessria para deformao plstica, a falha, a iniciao e a propagao da trinca. Para esses

trabalhos iniciais, corpos de prova no-normatizados foram utilizados, como mostra a Figura

19.

46

Figura 19 Exemplos de corpos-de-prova no-normatizados utilizados na Rssia para o desenvolvimento do

ensaio de impacto naquele pas.

Fonte: Makhutov, Morozov e Matvienko, 2002, p. 198

Como consequncia desses estudos, um procedimento de ensaio foi definido pelos

estudiosos da poca, que estabeleceu tambm os trs principais formatos a serem adotados

nos corpos de prova, conforme as Figuras 20, 21 e 22, e suas dimenses, conforme mostram

as Tabelas 1, 2 e 3. Todas essas definies foram oficializadas na norma russa GOST 9454

(1978).

Dir

eo

do

Imp

acto

Dir

eo

do

Imp

acto

Direo do

Impacto

47

Figura 20 Corpos de prova Tipo U normatizados na Rssia.

Fonte: Norma GOST 9454 (1978)

Tabela 1. Dimenses dos corpos de prova Tipo U normatizados na Rssia.

Tipo do

Concentra-

dor de

Tenso

Raio

(mm)

Tipo de

Amos-

tra

L

(mm)

(+0,6)

B

(mm)

H

(mm)

(+0,1)

h1

(mm)

(+0,1)

h

(mm)

(+0,6)

H1

(mm)

U 1 +

0,07

1

55

10 + 0,10

10

--- ---

8 +

0,10 2

7,5 +

0,10

3 5 + 0,05

4 2 + 0,05

8 6 +

0,10

5 10 + 0,10

10

7 +

0,10 6

7,5 +

0,10

7 5 + 0,05

8 10 + 0,10

5 +

0,10 9

7,5 +

0,10

10 5 + 0,05

Fonte: Autora, Adaptado da norma GOST 9454 (1978)

48

Figura 21 - Corpos de prova Tipo V normatizados na Rssia.


Tabela 2. Dimenses dos corpos de prova Tipo V normatizados na Rssia.

Tipo do

Concentra-

dor de

Tenso

Raio

Tipo de

Amos-

tra

L (mm)

(+ 0,6) B

H (mm) (

+ 0,1)

h1 (mm)

(+ 0,1)

h (mm) (

+ 0,6) H1

V 0,25+

0,025

11

55

10 +

0,10

10

--- ---

8 +

0,05 12

7,5 +

0,10

13 5 +

0,05

14 2 +

0,05 8

6 +

0,05


49

Figura 22 - Corpos de prova Tipo T normatizados na Rssia.


50

Tabela 3. Dimenses dos corpos de prova Tipo T normatizados na Rssia.

Tipo do

Concentra-

dor de

Tenso

Raio

Tipo de

Amos-

tra

L (mm)

( + 0,6) B

H (mm)

( + 0,1)

h1 (mm)

( + 0,1)

h (mm)

( + 0,6) H1

T Trinca

15

55

10 +

0,10

11

1,5 3,0

---

16 7,5 +

0,10

17 5 +

0,05

18 2 +

0,05 9

19 10 +

0,10 10 3,5 5,0


Makhutov, Morozov e Matvienko (2002) comentam que os estudiosos russos

reconheceram a grande variedade de possveis critrios para determinao da temperatura

transio dctil frgil de um material, e na poca j entendiam como sendo de grande

importncia que houvesse um critrio nico para a definio desta caracterstica do material.

Entretanto, segundo eles, a definio deste critrio poderia ocorrer levando-se em

considerao o propsito para o qual se precisa definir a temperatura de transio: se para

pesquisa ou anlise de integridade estrutural. Se o caso for uma pesquisa, a temperatura de

transio servir para comparao entre diferentes ligas, mas se o caso for uma anlise

estrutural, a definio da temperatura de transio ter por objetivo estabelecer a melhor

combinao entre o material utilizado e o tratamento trmico ao qual este ser submetido,

para ser aplicado em determinada temperatura. Os autores acreditam que para o primeiro caso,

podem haver diversos critrios para a determinao da temperatura de transio, enquanto que

para o segundo, o nico critrio que deveria ser adotado o critrio da energia de propagao

da trinca, que tem sua origem nos fundamentos da Mecnica da Fratura, e que deve ser

determinado com base na experincia de operao da estrutura ou por experimentos especiais

que simulam as condies de servio da estrutura. Exemplo disso o trabalho apresentado por

Tanguy et al. (2004), que utilizou como temperatura de transio do ao A-508 aquela na qual

a energia absorvida pelo material 56 J, pois este o critrio utilizado para avaliao de

51

materiais retirados de vasos de presso em servio, segundo norma francesa que normatiza

este tipo de avaliao.

As relaes entre as dimenses do corpo de prova e o raio do entalhe, para os 3 tipos

de entalhes possveis para o ensaio de impacto Charpy foram relatados por Pilkey (1997), e

esto mostradas na Figura 23. Conforme j comentado, variaes dimensionais no entalhe ou

no corpo de prova alteram seu estado de tenses (ktn), e o entalhe tipo V o que apresenta o

maior fator concentrador de tenses, e portanto o tipo de entalhe que apresenta condio

mais crtica de solicitao do material.

Figura 23 Grficos comparativos do fator concentrador de tenses em funo das caractersticas dimensionais

do corpo de prova e do entalhe.

Fonte: Pilkey, 1997, p. 1121

1 Na Figura 23, optou-se por manter a formatao original, em ingls.

52

2.6 Resultados obtidos pelo ensaio de impacto

Garcia et al. (2008) relacionam as informaes que podem ser obtidas de um ensaio de

impacto:

a) Energia absorvida: obtida pela leitura da mquina;

b) Contrao ou expanso lateral: obtida pela medida das dimenses finais do corpo

de prova na regio da fratura, comparando-se com as medidas originais do mesmo;

c) Aparncia da fratura: determinao da porcentagem de fratura frgil ocorrida na

fratura do corpo de prova, obtida pela avaliao da face de fratura do corpo de

prova.

A Figura 24 apresenta resultados do ensaio de impacto sob as trs diferentes

consideraes, tendo sido ensaiados corpos de prova com os trs tipos de entalhe possveis

para o ensaio de impacto Charpy, sendo possvel, portanto, observar a influncia do tipo de

corpo de prova nos resultados.

53

Figura 24 Formas de representao dos resultados do ensaio de impacto Charpy, em funo do ti

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