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

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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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Integridade estrutural

• 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.

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Integridade estrutural

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).

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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.

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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.

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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...

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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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