00 introdução à mecânica da fratura

7/18/2019 00 Introdução à Mecânica da Fratura

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Introdução à Mecânica da

FraturaProf. Enrique M. Castrodeza

EET101 – Fratura dos Materiais

Departamento de Eng. Metalúrgia e de Materiais

Escola Politécnica - UFRJ

1 DMM-EP-UFRJ EET101 - Fratura dos Materiais

Integridade estrutural

Abordagem convencional

• Na abordagem convencional a estrutura mantêm sua integridade se

as tensões máximas não atingem um valor limite (em geral limite deescoamento).

• Assim, a integridade estrutural é associada à relação entre a tensãomáxima aplicada com a resistência mecânica do material.

Tensão aplicada Resistência do material

• Adequado quando o componente é submetido a uma tensãoprincipal dominante, pode não ser apropriado em estado decarregamento multiaxial, mas existem critérios mais elaborados(Tresca, Von Mises, etc.).

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• Infelizmente temos muitos exemplos de falhas de componentescarregados muito aquém da sua capacidade, dentro do que era tidocomo uma região “segura”.

• Na maior parte dos casos existiam trincas, originadas em defeitosdo material, em descontinuidades por projeto ou na montagem (faltade fusão, falta de penetração, etc.), em danos durante o serviço

(arranhões, impactos, etc.), pela ação de carregamento cíclico(fadiga) ou do meio ambiente (corrosão), etc.

• Praticamente todas as estruturas contêm trincas. A maioria delasinofensiva, mas a propagação de uma única trinca pode acarretarno colapso da estrutura.

• Assim, na presença de trincas devemos aplicar a mecânica dafratura, desenvolvida especificamente para analisar esses casos.



Abordagem utilizando a Mecânica da Fratura

Tamanho de trinca

Tensão aplicada Tenacidade à fratura

• Tenacidade à fratura: resistência do material ao crescimento detrincas. É uma propriedade mecânica do material.

• As variáveis nos vértices do triângulo são interdependentes.

• A fratura ocorre para uma conjunção crítica desses fatores.

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Casos históricos

Os navios Liberty

• Foram produzidos em USA durante a 2da guerra mundial. Eram

baratos, construídos rapidamente. 16 estaleiros construíram 2.751navios Liberty entre 1941 e 1945 (a maior quantidade de navios jáconstruída a partir de um único projeto).


Casos históricos

• Durante a guerra houve aproximadamente 400 casos de fratura decascos e cobertas nesses navios (90 considerados sérios). Algunsdeles afundaram pelas falhas. 19 fraturaram pela metade, inclusiveem mar calmo.

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Casos históricos

As pesquisas determinaram que asfalhas foram causadas pela açãoconjunta de três fatores:

a) As soldas (feitas manualmente poroperários pouco qualificados)continham trincas (defeitos planares);

b) A maior parte das fraturas iniciou-seem bordas ou quinas onde existiaconcentração de tensões;

c) O material utilizado possuía baixatenacidade, e a baixa temperatura daágua piorava essa situação.


Casos históricos

• A tenacidade à fratura do aço dos Liberty era adequada paraaplicação em navios rebitados (onde as trincas eram detidas nalinha de rebites ou na borda da chapa).

• Em um navio unido por soldagem a trinca não encontrava nenhum“obstáculo” que a detivesse, podendo “correr” ao longo da estrutura.

• Depois dos estudos o projeto foi mudado. Reforços nosconcentradores de tensão e placas de aço rebitadas em certasposições, para imobilizar a propagação de trincas (crack arresters).

• Resultados: aprimoramento da tenacidade dos aços e da qualidadedas soldas, inicio da prevenção da fratura baseada emmetodologias experimentais (G.R. Irwin e W.S. Pellini, NavalResearch Laboratory, USA).

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Casos históricosAeronaves de Havilland Comet

• Primeiro jato comercial do mundo. Primeiro vôo comercial em janeiro de 1952. Duas vezes mais rápido que seus contemporâneos

(50 pedidos e 30.000 passageiros no primeiro ano de serviço).• Os projetistas insistiram em usar janelas quadradas, pois nãoqueriam similitude com as janelas dos navios.


Casos históricos• Em maio de 1953 um Comet caiu após decolar em Calcutá. Em

janeiro e abril de 1954 outras duas quedas ocorreram na Italia.

• Em 1955 foi estabelecido que as quedas estavam relacionadas com

crescimento de trincas por fadiga. Após alguns ciclos de vôo umatrinca crescia a partir do vértice de uma janela superior, causandodespressurização catastrófica.

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Mas, nem sempre procura-seevitar a fratura...


Bibliografia

• T.L. Anderson. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications. 2ndEd. CRC Press, 1995.

• G.E. Dieter. Mechanical Metallurgy. 3rd Ed. McGraw Hill, 1986. • A. Saxena. Nonlinear Fracture Mechanics for Engineers. CRC Press, 1998. • H.P. Rossmanith. The Struggle for Recognition of Engineering Fracture

Mechanics. In: Fracture Research in Retrospect, Anniversary Volume inhonor of Professor George R. Irwin's 90th Birthday. H.P. Rossmanith, G.Irwin, Eds. A.A. Balkema Publishers, 1997.

• S. Suresh. Fatigue of Materials. 2nd Ed. Cambridge University Press, 2003.

• M. Janssen, J. Zuidema, R.J.H. Wanhill. Fracture Mechanics. 2nd Ed. DelftUniversity Press, 2002.

• D. Broek. The Practical Use of Fracture Mechanics. Kluwer AcademicPublishers, 1989.

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