Seleção de materiais para tenacidade à fratura

SELEÇÃO DE MATERIAIS PARA TENACIDADE À FRATURA

EM 833 –Seleção de Materiais

Profa. Cecília Zavaglia

Seleção de materiais segundo a tenacidade à fratura

METAIS

Tenacidade é a habilidade de um metal absorver energia e deformar plasticamente até a fratura

A quantidade de energia absorvida durante a deformação e a fratura é a medida da tenacidade à fratura do material

Seleção de materiais para tenacidade à fratura

Tenacidade é a habilidade de um metal absorver energia pela deformação plástica, num ensaio mecânico conduzido até a fratura

Essa propriedade decorre da combinação das propriedades de resistência e ductilidade.

É determinada pelo trabalho absorvido durante a propagação de uma trinca através de um corpo-de prova padronizado ou de um componente de um sistema mecânico


A área obtida no diagrama tensão-deformação, num ensaio de tração, até o limite de elasticidade é chamada resiliência.

A área total até a fratura, que incorpora também o regime de comportamento plástico do material é chamada tenacidade.

Essas propriedades calculadas correspondem a:

energia por unidade de volume do corpo ensaiado


Normalmente a tenacidade é determinada num ensaio de choque, conduzido a diversos níveis de temperatura, em corpos-de- prova entalhados.

Nesse caso, determina-se a tenacidade à fratura dinâmica ou simplesmente tenacidade à fratura .


Conceito de tenacidade à fratura :

RESISTÊNCIA DO MATERIAL À RÁPIDA PROPAGAÇÃO DA TRINCA OU AO

COMPORTAMENTO FRÁGIL


O dimensionamento de um componente mecânico considerando somente a resistência estática do material ( uma parcela do limite de escoamento) pode levar à fratura em serviço.

A tenacidade à fratura do material permite estudar a distribuição de tensões, que pode ser excepcionalmente elevada em alguns locais ( entalhes, pontos de descontinuidade, etc) permitindo prever que nesses pontos pode ocorrer uma “falha catastrófica”.

Mecânica da Fratura

A mecânica da fratura foi utilizada para permitir reconhecer que a resistência à fratura ocorre como conseqüência direta dos métodos de processamento de materiais.

O critério de projeto adotado por muitos anos (na indústria aeronáutica) baseou-se no conceito de vida segura, no qual se esperava dos componentes críticos da estrutura uma operação segura por um certo tempo ( vida do componente).


O critério de projeto com dano tolerado admite que toda a estrutura fabricada possui defeitos ou trincas iniciais de um determinado tamanho ( geralmente o menor tamanho detectado por ensaios não destrutivos), os quais não se deve permitir que cresçam até o tamanho crítico durante a vida esperada em serviço.


O critério de projeto com dano tolerado exige o conhecimento de três assuntos básicos:

Propriedades da mecânica da fratura dos materiais

Capacidade de detecção de defeitos dos ensaios não destrutivos

Métodos de projeto baseados em mecânica da fratura


Devido à complexidade de tratamento dos métodos da mecânica de fratura não linear, serão tratados os conceitos da mecânica da fratura linear elástica.

Considerando os deslocamentos relativos a duas partes de um sólido com uma fenda pode-se ter três modos de fratura:

Modo I – Abertura das partes Modo II – Deslizamento do gume da trinca Modo III – Deslizamento lateral ou rasgamento


Para a maioria dos casos, a fratura ocorre pelo modo I, e as expressões se aplicam a esse modo de fratura.

O fator KI é considerado o fator de intensidade de tensão e representa um parâmetro de medida do campo de tensão na ponta da trinca.Considerando-se a situação de um corpo de dimensões infinitas com 3 tipos de descontinuidades: furo redondo, furo elíptico, trinca linear.

Fatores de concentração de tensões


Valores típicos para KI: Para corpo infinito e trincas lineares de comp.

2a:

KI= (a)1/2 ( MPa m1/2) Para corpo retangular com trinca no centro

KI= (a)1/2 ( sec a/w)1/2, sendo w a largura do corpo na direção transversal à aplicação de


Valores típicos para KI( continuação): Para corpo infinito submetido a forças de abertura

na superfície da trinca

KI= P/(a)1/2 onde P= força por unidade de espessura do corpo na direção da força

Para trincas achatadas internas de diâmetro 2a submetidas a tensões uniaxiais

KI= 2(a/)1/2


A resistência à fratura de um material é considerada uma propriedade que independe de condições geométricas e caracteriza a resistência na presença de uma trinca com ponta. A importância dessa propriedade pode ser compreendida melhor considerando-a um valor limite de KI no começo da propagação instável dessa trincaKIC


Por exemplo : admitindo-se que uma trinca central de comprimento 2a foi descoberta num painel com largura w, com:

KIC= C (a)1/2 ( sec a/w)1/2

onde KIC e C são valores críticos

Portanto KIC é o valor crítico para o fator de intensidade de tensão é também denominado resistência à fratura ( independe da geometria usada na sua avaliação).

Seleção de materiais para tenacidade à fratura- Polímeros

A tenacidade à fratura de polímeros geralmente tem sido verificada através de ensaios de Charpy e Isod.

A tenacidade à fratura de polímeros envolve vários fatores como a temperatura, meio ambiente, método de fabricação da amostra, entre outros.


É difícil aplicar a mecânica da fratura linear elástica aos plásticos , como é aplicada aos metais e aos cerâmicos, devido a fatores como: viscoelasticidade, orientação das cadeias moleculares, número de ligações cruzadas, etc.

Entretanto técnicas da mecânica da fratura são utilizadas com sucesso para avaliar o comportamento à fratura de compósitos avançados de matriz polimérica ( ex.: epoxi com fibras C)

Ensaios com solicitações sob impacto

Os polímeros podem falhar em serviço por estarem sujeitos a solicitações em tempos muito curtos,

O principal parâmetro para quantificar a resistência ao impacto é a energia de impacto

Métodos de ensaio para determinar essa energia utilizam o princípio de absorção de energia a partir de uma energia potencial: teste de impacto IZOD ou Charpy, teste de impacto por queda de dardo e teste de impacto sob tração

Teste IZOD ou Charpy

Esses ensaios são os mais utilizados para medir a resistência ao impacto de um polímero

Uma trinca é pré-estabelecida no corpo de prova, através de um entalhe com dimensões controladas

No ensaio é registrada a energia necessária para propagar a trinca, ou melhor o entalhe, na secção transversal co corpo de prova até a ruptura

Esquema do ensaio IZOD

Esquema do Ensaio Charpy

Resistência ao impacto de polímeros

Para alguns polímeros sua resistência ao impacto depende mais da energia necessária para a criação da trinca do que da energia para propagá-la

Esse fenômeno é observado através da sensibilidade que alguns polímeros possuem durante a usinagem do entalhe nos ensaios Izod ou Charpy.

O ângulo da ponta do entalhe indica como alguns polímeros são mais sensíveis ao entalhe ( trinca) do que outros.

Influência da ponta do entalhe na resistência ao impacto de alguns termoplásticos

Resistência ao impacto de polímeros

A resistência ao impacto de polímeros aumenta com o aumento da temperatura

Para os polímeros amorfos esse aumento é mais acentuado

Outros fatores afetam a resistência ao impacto de polímeros, podendo-se destacar: a massa molar, a cristalinidade e a presença de aditivos, como plastificantes

Resistência ao impacto em função da temperatura

Resumo dos fatores que influenciam a resistência ao impacto de polímeros

1. Velocidade do ensaio2. Temperatura de ensaio3. Sensibilidade ao entalhe e ao método de confecção do

mesmo4. Orientação molecular5. Copolimerização e mistura mecânica6. Massa molar7. Tempo de estocagem das peças transformadas ( Ex:

nailon seco e úmido)8. Cargas e reforços

Classificação dos principais termoplásticos em função da resistência ao impacto (RI)

(1) Quebradiços ou frágeis, mesmo sem entalhe( RI). Ex: PS,PMMA, PA66+FV(seco)

(2) Dúcteis ( resistentes) sem entalhe, porém frágeis com entalhes suaves. Ex: PP,PVC rígido, POM, PET, etc

(3) Dúcteis sem entalhes, porém frágeis com entalhes agudos. Ex.: PEAD, PA66(seco), PP copol.(Et), PPO, PC(alguns), ABS(alguns)

(4) Dúcteis em todas as condições ( RI)

Ex: ABS, PEBD, PA66( úmido), PTFE, PC(alguns)...

Tenacidade à fratura, resistência mecânica e tamanho crítico de trinca para diversos

materiais

Material e (MPa) KIC(MPa.m1/2) KIC/e ac(mm)

Aço Médio C 260 54 0,61 14,0

A533 T&R 500 100 0,40 51,0

4340

( R260oC)

1640 50 0,03 0,3

4340

(R4240oC)

1420 87 0,06 1,2


materiais ( continuação)

Material e (MPa) KIC(MPa.m1/2)

KIC/e ac(mm)

Aço maraging300

1730 90 0,05 0,9

300M 1725 55 0,03 0,3

AerMet100

(de uso aeronáutico)

1720 130 0,08 1,8

Ferro fundido

220-1000

6-20 0,003-0,009

0,01-2,6



Material

Ligas de Al

e (MPa) KIC(MPa.m1/2)

KIC/e ac(mm)

2024 T651 455 34 0,05 1,8

2024 T3 345 44 0,13 5,2

7075 T651 495 24 0,05 0,7

7475 T651 426 47 0,10 3,9



Material

Ligas de Ti

e (MPa) KIC(MPa.m1/2)

KIC/e ac(mm)

Ti-6Al-4V 830 55 0,06 1,4

Ti-6Al-4V-2Sn

1085 44 0,04 0,5

Polímeros:

PMMA

30 1,0 0,03 0,4

Polímeros: PC

63 3,3 0,05 0,9



Material e (MPa) KIC(MPa.m1/2)

KIC/e ac(mm)

Poliestireno

60 4,0 0,07 1,4

Epoxi/FC 650 32-45 0,04-0,07 0,8-1,5

Epoxi/FV 100-300 20-60 0,07-0,60 1,4-11,0

Cerâmica:

Si3N4

450 5,0 0,01 0,04

Tenacidade à fratura das famílias de materiais

Família KIC ( MPa.m1/2)

Metais 6-200

Polímeros 0,4-5

Compósitos de matriz polim 10-80

Cerâmicas de engenharia 2-10

Cerâmicas convencionais 0,1-2,0

Vidros 0,6-0,8

Madeiras (// às fibras) 1-10

Madeiras ( às fibras) 0,1-1,0

KIC(MPa m -½) Tipos de Materiais Cerâmicos

<1,0 Maioria dos monocristais vidros,alguns vitrocerâmicos

1,0-2,0 Maioria dos vitrocerâmicos, maioria das porcelanas, alguns óxidos cerâmicos ( por ex. :MgO)

2,5-5,0 Maioria das cerâmicas de Al2O3, cerâmicas não-óxidas densas ( B4C, SiC, Si3N4)

5,0-15,0 Cerâmicas tenacificadas( ZrO2) ou alumina com ZrO2; metais duros contendo pouco ligante metálico

> 15,0 Metais duros contendo muito ligante metálico;cerâmicos reforçados com fibras, carbono reforçado por fibras de carbono

Mapa de tenacidade à fratura ( KIC)versus densidade para as várias famílias de

materiais

Mapa de tenacidade à fratura ( KIC)versus módulo de Young para as várias famílias de materiais

Seleção de materiais para tenacidade à fratura

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