1 departamento de materiais e tecnologia ensaios de impacto alfeu saraiva ramos maio - 2009

1

Departamento de Materiais e Tecnologia

Ensaios de ImpactoEnsaios de Impacto

Alfeu Saraiva Ramos

Maio - 2009

2


SUMÁRIO DA AULASUMÁRIO DA AULA

Breve Revisão Sobre Fratura

Ensaios de Impacto

3


FRATURAFRATURA

• Por que falham os materias?– Projeto inadequado;– Fratura dúctil X frágil.

• Importância dos Princípios da mecânica da fratura

4


É a separação de um corpo sólido em duas ou mais partes devida à uma tensão aplicada.

Etapas da fratura:– Nucleação de trincas– Propagação de trincas– Ruptura do cdp

Fratura Fratura

5


Dois modos de fratura: dúctil e frágil depende da capacidade do material em absorver

energia até a ruptura, podendo este experimentar deformação plástica.

Fratura Fratura

6

Ocorre normalmente de maneira dúctil há um aviso do material antes do rompimento

É caracterizada pela ocorrência de deformação plástica significativa, antes e durante a propagação das trincas.

superfícies de fratura apresentam aspecto fibroso (dúctl) ou granular (frágil).


Fratura - Fratura - Materiais Metálicos

7Fratura tipo cone em Al Fratura frágil em aço

Metais dúcteis à temp. ambiente A = (Au, Pb)

A B C

B é o modo mais comum


8

O rompimento de um material metálico pode ocorrer de maneira dúctil por meio de fratura:

- transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone)- intergranular (presença de vazios nos contornos de grão)- formação de um pescoço (deformação plástica)- cisalhamento


Fratura - Fratura - Materiais metálicos

9

Fratura taça-conePescoço

microcavidades

Coalescimento de Trincas

Propagação de trincas

Fratura final por cisalhamento Fibras

arrancadas indicando deformação plástica.

Carregamento-Tração Carregamento-Cisalhamento

Dimples esféricos

DimplesParabólicos


10

A fratura frágil é caracterizada pela rápida propagação da trinca, sem deformação plástica aparente.

Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas):- clivagem - intergranular



11

A fratura frágil acontece sem aviso prévio e as conseqüências podem ser desastrosas.

A tendência para ocorrência de fratura frágil aumenta com:

- diminuição da temperatura- aumento da taxa de deformação- estado triaxial de tensão (entalhe)



12


• Dúctil: extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando

• Frágil: ocorre sem qualquer deformação apreciável através de uma rápida propagação da trinca

• Fractografias: fornecem informações como o modo da fratura, estado de tensão e ponto de início da trinca

Fratura Fratura -- Materiais metálicos

13Microestrutura de um aço inoxidável: corrosão no contorno de grão provocando a fratura intergranular pelo excesso da temperatura no tratamento térmico em aço inoxidável 316L.



14Superfície de fratura por clivagem de aço carbono em uma válvula de alívio de pressão.

A fratura foi atribuída à corrosão sob tensão (~250X)



15


Marcas de sargento em forma de V

Origem da trinca

Superfície de Fratura Frágil

Origem da trinca

Nervuras radiais em formato de leque

16

Ensaios de ImpactoEnsaios de ImpactoDepartamento de Materiais e Tecnologia

Charpy

Izod

17


- Energia Absorvida: medida diretamente pela máquina

- Contração Lateral: quantidade de contração em cada lado do corpo de prova fraturado

- Aparência da fratura: determinação da porcentagem de fratura frágil

INFORMAÇÕES OBTIDAS:

18


- é o método mais apropriado e versátil devido à facilidade de posicionamento do corpo-de-prova na máquina.

- o corpo de prova deve ser mantido na temperatura desejada por pelo menos 5 min, no caso de meios de aquecimento líquidos, e 30 min para o caso de meios gasosos.

- o ensaio deve ser realizado em tempos inferiores a 5 s.

CHARPY

19


CHARPY

Hq = S . (1 – cos )

hr = S . (1 – cos )

- função do ângulo de queda

- função do ângulo de rebote

S = distância do centro de peso até a extremidade do pêndulo (m)

= ângulo de queda (rad)

ângulo de rebote (rad)

20


cálculo da velocidade de impacto

Epotencial = Ecinética

M. g. Hq = M . V2/2

E = energia (J)

V = velocidade do pêndulo no instante do impacto (m/s)

g = aceleração da gravidade (m/s2)

V = (2 . g . Hq)0,5

cálculo da energia de impacto

CHARPY

Eimpacto = Epq - Epr

Eimpacto = M . g . (Hq – hr)Epq = energia potencial do pêndulo

na altura de queda (J)

Epq = energia potencial do pêndulo na altura de rebote (J)

21


- Estimativa da temperatura de transição dúctil-frágil

- Verificação da fragilidade em tratamentos térmicos

- Verificação da fragilidade por hidrogênio

- Validação de lotes produtivos

UTILIZADOS PARA:

OBS. Não é um método para a obtenção de valores quantitativos

22

TEMPERATURA DE TRANSIÇÃOTemperatura característica onde ocorre a transição dúctil-frágil dos materiais

trinca se propaga mais velozmente que os mecanismos de deformação plástica

Baixas temperaturas pouca energia é absorvida

Temperaturas elevadas fratura é precedida de uma

deformação que consome energia


23

FATORES QUE REDUZEM ENERGIA DE IMPACTO:

- ESTADO TRIAXIAL DE TENSÃO

- ELEVADAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO

- BAIXAS TEMPERATURAS


24

FATORES QUE INFLUENCIAM A TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO DE METAIS E LIGAS:

- Características do Entalhe (estados de tensão)

- Taxa de Deformação

- Anisotropia e Deformação Plástica

- Composição Química

- Microestrutura


25

CARACTERÍSTICAS DO ENTALHE:


26

ANISOTROPIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA


27

COMPOSIÇÃO QUÍMICA : efeito do teor de carbono para aços


P, Cr, Mo, O, Si, N : aumentam temp. transição

Ni : aumenta temp. transição

28

COMPOSIÇÃO QUÍMICA : energia absorvida para diferentes materiais


29


COMPOSIÇÃO QUÍMICA: energia absorvida para diferentes materiais:

30


MICROESTRUTURA:

31

Causa: aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão

Grãos grossos

Grãos finos


EFEITO DA MICROESTRUTURA NA TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO

32

Grãos grossos

Grãos finos


Nanotecnologias e nanoestruturas: redução da temperatura de transição

33


Critérios para Projeto em função da temperatura de transição

Fratura Dúctil

34


Critérios para Projeto em função da temperatura de transição

T1 – Temperatura a partir da qual ocorre 100% de fratura dúctil (fibrosa)

T2 – Temperatura em que ocorre 50% de fratura frágil

T3 – Temperatura que representa a média entre T1 e T5

T4 – Temperatura correspondente a um certo valor adotado de energia absorvida (ou porcentagem de fratura frágil). Para aços de baixa resistência, esse valor é de 20J)

T5 – Temperatura a partir da qual ocorre 100% de fratura frágil.

35


Exercício

Os seguintes dados foram obtidos em experimentos do tipo Charpy:

- massa do pêndulo = 1,0 kg

- g = 9,8 m/s2

- ângulo de queda = 60º

- ângulo de rebote = 30º

- distância ao centro do pêndulo (S) = 0,5 m

Calcule as alturas de queda e de rebote, a velocidade do impacto e a energia absorvida pelo material. (1 kgf.m=10J)

36

LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYLAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYDepartamento de Materiais e Tecnologia

Objetivos:

(a) avaliar a influência da temperatura no comportamento frágil de um aço de médio teor de carbono (ABNT 1045), com entalhe em V.

(b) determinar as energias absorvidas para a ruptura dos corpos de provas em diferentes temperaturas

(c) determinar a faixa de temperatura em que ocorre a transição dúctil-frágil

Detalhes dos cdp: 50mm x 10mm x 10mm; entalhe em V (2 mm de profundidade e raio de curvatura de 45º),

37


Procedimento Experimental:

(1) elevar o pêndulo da máquina de ensaio Charpy até que a altura inicial pré-estabelecida e travá-lo nesta posição;

(2) posicionar o ponteiro no disco graduado para capacidade máxima de energia potencial da máquina (30 kgf.m);

(3) em seguida, soltar o pêndulo da altura inicial, para conferir e ajustar o “ponto zero” da escala e freá-lo após o ensaio;

(4) repetir este procedimento para cada corpo de prova

38


Quadro 1 – Temperaturas de ensaio e respectivas energias médias de impacto.

Temp. (oC) Energia de ImpactoCdp 1 Cdp 2 Média

-190-20025100200

39


Determinar a partir do gráfico Temperatura versus Energia Absorvida: (a) a temperatura de transição do aço ABNT 1045, utilizando os critérios: Equivalente a 20 Joules (2,0 kgf.m). Para 40% da energia máxima absorvida no impacto.

Para a Temperatura T3, que é a média dos valores dos patamares superior e inferior.

(b) Comparar com resultados da literatura para este material (busca em Handbooks).

(c) Discutir sobre o efeito da temperatura nas características da superfície de fratura, na energia absorvida, explicando sobre os possíveis mecanismos microestruturais.

40

LABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPMLABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPMDepartamento de Materiais e Tecnologia

ASPECTOS DE SEGURANÇA PARA EXPERIMENTOS QUE ENVOLVEM TEMPERATURAS ELEVADAS:

(1) USAR CALÇA COMPRIDA E SAPATOS FECHADOS (DE PREFERÊNCIA DE COURO)

(2) PEGAR MATERIAIS APENAS COM PINÇAS/GARRAS METÁLICAS, COM O AUXÍLIO DE LUVAS TÉRMICAS

(3) ESTAR CONCENTRADO NAS ATIVIDADES

1 departamento de materiais e tecnologia ensaios de impacto alfeu saraiva ramos maio - 2009

Documents