PRINCÍPIO DE ANÁLISE DE FALHAS EM COMPONENTES - … 3... · No centro da seção de menor...
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SMM0330 - PRINCÍPIO DE ANÁLISE DE FALHAS EM
COMPONENTES
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REFERÊNCIAS:
• Fatigue of Materials– S.Suresh, Cambridge University Press, 1998.
• Metalografia e Análise de Falhas, Tibério Cescon e Cesar R.F. Azevedo,ABM, São Paulo, 2006;
• ASM Handbook Vol. 11 - Failure Analysis – 2002;
• ASM Handbook Vol. 12 – Fractography– 1987;
• ASM Handbook Vol. 19 – Fatigue and Fracture– 1996;
• Analyses and Prevention of Aircraft Structural Failures, curso- L. Molent, 2011;
• Engineering disasters: learning from failure, N. Chawla, apresentação,2007;
• What Really Sank the Titanic, Jennifer Hooper McCarty & Tim Foecke,Citadel Press Books, 2008;
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REFERÊNCIAS:
• Metallurgy of the RMS Titanic, National Institute of Standards andTechnology-NIST-IR 6118, Tim Foecke.
• Deformation and Fracture Mechanics of Engineering Materials– RichardW. Hertzberg, John Willey and Sons, 1996.
• Comportamento Mecânico e Fratura de Componentes e EstruturasMetálicas, Paulo Sergio C. Pereira da Silva, UFPR, 1999;
• Apostila do curso: Fadiga de materiais metálicos, Itamar Ferreira,Unicamp, 2003.
• Mecânica dos Materiais, Claudio Geraldo Schön, Elsevier, 2013.
• Apostila do curso Mecânica de Fratura Elasto-Plástica, Cláudio Ruggieri,EPUSP, 2010;
• Apostila do curso Fadiga de Materiais Estruturais, Cláudio Ruggieri, EPUSP,2010;
• Relatórios de análise de falhas do Prof. José B. Marcomini.
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MICROMECANISMOS DE FRATURA
ANÁLISE DE FALHAS
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ANÁLISE DE FALHAS SUPERFÍCIE DE FRATURA
MICROMECANISMO DE FRATURA
GRÃOS
NÍVEL ATÔMICO MODELOS DE ESFERAS RÍGIDAS: MODELOS ATOMÍSTICOS-
DISCORDÂNCIAS
SUBATÔMICO
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MECANISMOS DE DEFORMAÇÃO
ANÁLISE DE FALHAS
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MOVIMENTAÇÃO DAS DISCORDÂNCIAS
É APLICADA UMA TENSÃO DE CISALHAMENTO, FORÇANDO A PARTE SUPERIOR
DOS PLANOS A, B, C E D. SE A TENSÃO FOR SUFICIENTE, AS LIGAÇÕES DA
PARTE INFERIOR DO PLANO B SÃO ROMPIDAS E O PLANO A SE LIGA À ESTA
PARTE. ISSO OCORRE SUCESSIVAMENTE ATÉ QUE O SEMI-PLANO AFLORA NA
SUPERFÍCIE COM A LARGURA DE UMA DISTÂNCIA ATÔMICA.
ANÁLISE DE FALHAS
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LINHAS DE ESCORREGAMENTO EM AMOSTRA DE
COBRE POLICRISTALINO, POLIDA E DEFORMADA.
AO MENOS DOIS SISTEMAS DE
ESCORREGAMENTO QUE SE CRUZAM, PODEM
SER OBSERVADOS.
LINHAS DE ESCORREGAMENTO QUE
SE CRUZAM.
DIFERENTES ORIENTAÇÕES EM
CADA GRÃO.
ANÁLISE DE FALHAS
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DISCORDÂNCIAS EM LINHA DE ESCORREGAMENTO (INÓX - 10%DEFORMAÇÃO)
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GRÃOS EQUIAXIAIS ANTES DA DEFORMAÇÃO(a) E ALONGADOS
APÓS A DEFORMAÇÃO (b) DE UM METAL POLICRISTALINO.
ANÁLISE DE FALHAS
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DEFORMAÇÃO POR MACLAÇÃO
(ADAPTADO DE :CALLISTER)
ANÁLISE DE FALHAS
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MACLAS MECÂNICAS – LENTICULAR – AÇO 5160H (MO)
MACLAS MECÂNICAS- LINHAS DE NEUMANN
FRANZ ERNEST NEUMANN-MINERALOGISTA,
FÍSICO E MATEMÁTICO ALEMÃO.OBSERVOU
MACLAS EM METEORITOS (LEI DE NEUMANN
SOBRE CALOR ESPECÍFICO)
MACLAS MECÂNICAS
(Marcomini, diss. Mestrado)
ANÁLISE DE FALHAS
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CONSEQUÊNCIAS DA MIGRAÇÃO DE CONTORNOS
MACLAS DE RECOZIMENTO
• O MECANISMO DE FORMAÇÃO AINDA ESTÁ SENDO ESTUDADO;
• É UM “ACIDENTE” DE CRESCIMENTO (MIGRAÇÃO DE CONTORNOS);
• SÃO MAIS FREQUENTES QUANTO MENOR FOR A ENERGIA DO CONTORNO
COERENTE DE MACLA, QUE POR SUA VEZ VARIA DE MATERIAL PARA MATERIAL;
• NOS METAIS E LIGAS COM ESTRUTURA CFC, O PLANO DO CONTORNO COERENTE
DE MACLA É DO TIPO {111};
• CONTORNOS COERENTES DE MACLA TÊM BAIXA ENERGIA ( ̴1/2 EDE);
• CONTORNOS INCOERENTES DE MACLA = ENERGIA CONTORNO DE GRÃO;
• SE A ENERGIA DO SISTEMA FICAR MAIS BAIXA COM OS CONTORNOS COERENTES E
INCOERENTES DE MACLA QUE A RECRISTALIZAÇÃO COMPLETA, ELAS OCORREM;
ANÁLISE DE FALHAS
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(ADAPTADO DE: COLPAERT)
ANÁLISE DE FALHAS
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CONSEQUÊNCIAS DA MIGRAÇÃO DE CONTORNOS
(FONTE:PADILHA)
ANÁLISE DE FALHAS
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EM NÍVEL DE LINHAS DE DISCORDÂNCIAS
(FONTE:DIETER)
ANÁLISE DE FALHAS
NORMALMENTE LD SÃO EM ANÉIS
O PLANO DE ESCORREGAMENTO DE UMA
DISCORDÂNCIA É DEFINIDO COMO O PLANO
QUE CONTÉM A DISCORDÂNCIA E O SEU
VETOR DE BURGERS.
O VETOR DE BURGERS DE UMA
DISCORDÂNCIA EM HÉLICE É PARALELO,
ENTÃO, QUALQUER PLANO QUE CONTENHA A
DISCORDÂNCIA É UM PLANO POSSÍVEL DE
ESCORREGAMENTO.
A PARTE EM HÉLICE SE DESLOCA NO
DESLIZAMENTO CRUZADO.
LEVA À FORMAÇÃO DE BANDAS DE
CISALHAMENTO.
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(ADAPTADO DE :REED-HILL)ANÁLISE DE FALHAS
BANDAS DE CISALHAMENTO: CONJUNTO DE LINHAS DE DESLIZAMENTO. FORMAM UMA REGIÃO ENCRUADA E FRÁGIL
QUE...
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(REED-HILL)
ANÁLISE DE FALHAS
...PODEM LEVAR À FRATURA!
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MICROMECANISMOS DE FRATURA
ANÁLISE DE FALHAS
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• ALVEOLAR (DIMPLES);
• INTERGRANULAR;
• TRANSGRANULAR (CLIVAGEM E QUASE-
CLIVAGEM);
• FADIGA (ESTRIAS).
ANÁLISE DE FALHAS
MICROMECANISMOS DE FRATURA
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR – DESCOLAMENTO ENTREMATRIZ E PARTICULA.
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• Quando o diâmetro da partícula é grande, a tensão crítica
para clivagem da partícula é pequena – a partícula cliva;
• Quando a partícula é muito pequena, a tensão crítica seria
muito grande - partícula descola;
• 𝑺𝟐=𝛑𝑬𝜸𝟎
𝟏−𝝑 𝒅𝒑S – tensão crítica para clivagem, 𝜸𝟎 - energia
interface matriz/partícula (Ritchie);
• Depende também da diferença de dureza entre partícula e
matriz e da forma – descola ou fratura.
ANÁLISE DE FALHAS DIMPLES OU ALVEOLAR
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𝑺𝟐= 𝛑𝑬𝜸𝟎
𝟏−𝝑 𝒅𝒑
DIMPLES OU ALVEOLAR
ANÁLISE DE FALHAS
PARTÍCULA CLIVADADEFORMAÇÃO EM TORNO DA PARTÍCULA
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TEORIA DO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
PARTÍCULAS COERENTES COM DIMENSÃO DE
ALGUNS ÁTOMOS
O PLANO DE DESLIZAMENTO CONTÉM A
DISCORDÂNCIA E A PARTÍCULA
DEVIDO Á TENSÃO EM TORNO DO PRECIPITADO
AUMENTO DA TENSÃO APLICADA PARA A
DISCORDÂNCIA ATRAVESSAR A PARTÍCULA
DEFORMAÇÃO
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TEORIA DO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
(Fonte:Porter & Easterling)
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TEORIA DO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
O SEGUNDO MECANISMO OCORRE QUANDO A TENSÃO NECESSÁRIA
PARA A DISCORDÂNCIA ATRAVESSAR O PRECIPITADO É MUITO ALTA
E É CARACTERÍSTICO DE PRECIPITADOS METAESTÁVEIS
INTERMEDIÁRIOS.
MECANISMO DE OROWAN (1948)
ANÉIS DE DISCORDÂNCIA EM TORNO DOS PRECIPITADOS
PRÓXIMA DISCORDÂNCIA ENFRENTA OS ANÉIS DA 1ª.
MAIOR ENCRUAMENTO DURANTE A DEFORMAÇÃO
MAIOR AUMENTO DE RESISTÊNCIA MECÂNICA
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TEORIA DO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
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TEORIA DO ENDURECIMENTO POR PRECIPITAÇÃO
• QUANTO MENOR O ESPAÇAMENTO, MAIOR O EFEITO DO
ENDURECIMENTO;
• ALGUMAS LIGAS, O AUMENTO DO LIMITE DE ESCOAMENTO É
DE 5 VEZES;
• NO SUPERENVELHECIMENTO, O AUMENTO DOS
PRECIPITADOS LEVA AO AUMENTO DA DISTÂNCIA ENTRE
ELES- A RESISTÊNCIA CAI.
(Fonte:Rezende)
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EXEMPLO MAIS CLÁSSICO: TRAÇÃO – ESPECIALMENTE A ZONAFIBROSA DA TAÇA-CONE – 45º - TENSÕES PRINCIPAIS (BANDAS DELÜDERS)
ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR
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No centro da seção de menor diâmetro (após o empescoçamento), tem-se a máximatensão longitudinal e a máxima triaxialidade de tensões. Quando a fratura seaproxima da superfície livre do c.p., a trinca segue a trajetória a 45o com o eixo, semsofrer mais alterações na sua direção de propagação, formando a “zona decisalhamento”(termo equivocado). Mecânica da Fratura: cisalhamento fraturaem Modo II ou III. Neste caso, nem seria possível: geometria do cp.
ANÁLISE DE FALHAS DIMPLES OU ALVEOLAR
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR
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ANÁLISE DE FALHAS DIMPLES OU ALVEOLAR
Mecanismo:Ocorre em três etapas:
• (i) nucleação de micro-cavidades;• (ii) crescimento de micro-cavidades;• (iii) coalescimento de micro-cavidades.
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR NA PROGRESSÃO DA TRINCA
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ANÁLISE DE FALHAS DIMPLES OU ALVEOLAR
Não terá esse aspecto se:• Elevados gradientes de tensões;• Partículas não homogêneas, quanto a forma, natureza ou distribuição;
O processo de concentração das deformações e do coalescimento das micro-cavidadespode adquirir outra geometria, dando à fratura aspectos diferentes como por exemplo, adistribuição bi-modal de alvéolos.
Distribuição bi-modal de alvéolos
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR
σc é a tensão crítica para nucleação de fratura dútil (combinação
partícula/matriz).
TEORIAS DA NUCLEAÇÃO DA FRATURA DÚTIL
PARTÍCULAS > 1 µm
PARTÍCULAS < 1 µm
Leva em consideração o aumento da tensão na interface
partícula/matriz-acúmulo de
discordâncias.
α cte:0,14 a 0,33, μ: rigidez, ε1 é a deformação máxima longe da interface, b é o vetor de Burgers e r é o raio da partícula
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR
MATERIAIS MUITO DÚTEIS: ALVÉOLOS GRANDES E ATÉ COM
LINHAS DE DESLIZAMENTO INTERNAS.
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ANÁLISE DE FALHAS DIMPLES OU ALVEOLAR
Esse micromecanismo também aparece em fraturas frágeis
Zona radial, Zona Fibrosa e Zona de Cisalhamento
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ANÁLISE DE FALHAS
DIMPLES OU ALVEOLAR
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Prof.Dr. José Benedito Marcomini-LOM3050
INCLUSÕES
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SOLIDIFICAÇÃO
(Colpaert)
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SOLIDIFICAÇÃO
(Colpaert)
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MINÉRIO/SUCATA/CO
QUE/REFRATÁRIO
(S,P,Si)
CONVERSORES
(O2)
TRATAMENTOS PARA
ACALMAR
(Ca,Al,Mn,Mg)
INCLUSÕES NÃO
METÁLICAS: ENDÓGENAS E
EXÓGENAS
TIPO A
SULFETOS
(Mn,Fe,Ca)
TIPO B
ALUMINA
(Al2O3)
TIPO C
SILICATOS
(SiO2)
TIPO D
ÓXIDOS
GLOBULARES
(Mn,Fe,Ca)
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(MARCOMINI)
INCLUSÕES DE SULFETO-
1000X
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ANÁLISE DE INCLUSÕES: AMOSTRA LONGITUDINAL,
SEM ATAQUE
AUMENTO DE 100X
(MARCOMINI)
(MARCOMINI)
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ANÁLISE DE INCLUSÕES: AMOSTRA LONGITUDINAL,
SEM ATAQUE
AUMENTO DE 100X
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
• ANÁLISE QUÍMICA AÇO ABNT 1010 – COERENTE COM FORNECIDO;• GRANDE QUANTIDADE DE DEFORMAÇÃO – 45º -SIMILAR Á TRAÇÃO DE
MATERIAL DÚTIL;• PODERIA SER PROBLEMA DE INCLUSÕES – ANÁLISE METALOGRÁFICA
COMPLETA;• PPODERIA SER DUREZA ABAIXO DO ESPECIFICADO- ENSAIO DE DUREZA
OK.
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
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CASO II – FRATURA DÚTIL DE EIXO CURVO
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FIM