analise de falhas -parte ii

Análise de falhas

Análise de falhas - Modos de fraturas 1

Parte II

Tipos de fratura

Fratura Dúctil

O modo de fratura dúctil é sempre preferido por duas razões:

• A presença de deformação plástica na fratura dúctil fornece um alerta de que a fratura é eminente, permitindo tomar uma ação para diminuir o carregamento.

• As fraturas dúcteis consomem muita energia para a nucleação e a propagação.

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Aspecto da fratura dúctil por tração em Fe-3%Si monocristalino mostrando linhas de escorregamento e estricção. Fractography, Derek Hull Cambridge University Press.

Modos de fratura

Fratura Dúctil

• Todos os modos de fratura envolvem duas etapas: nucleação e crescimento de uma trinca.

• Na fratura dúctil este processo é relativamente lento e a trinca se comporta de forma estável, ou seja, não há o crescimento da trinca sem um aumento na tensão aplicada.

• As fraturas dúcteis apresentam características macro e microscópicas marcantes. A mais relevante é a formação de alvéolos (“dimples”).

Modos de fratura

Fratura Dúctil

No ponto de máximo da curva (tensão de resistência), inicia-se o processo de redução de área. Microscopicamente, a “floresta de discordâncias” interage com as partículas de 2ª fase da microestrutura, nucleando os alvéolos da fratura dúctil.

σ[Mpa]

Deformação plástica

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Floresta de discordâncias. Micrografia obtida por transmissão eletrônica de uma liga de titânio em que as linhas escuras são discordâncias. 51450 X. (Cortesia de M. R. Plichta, Michigan Universidade Tecnológica).

Modos de fratura

Fratura Dúctil

As discordâncias atingem as partículas nucleando trincas microscópicas na interface entre a matriz e a partícula de 2ª fase.

Modos de fratura

Fratura Dúctil

As trincas entre as partículas coalescem formando uma trinca macroscópica (fratura).

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Modos de fratura

Fratura Dúctil

A superfície de fratura é formada pela abertura da trinca macroscópica, que por sua vez é formada por união das micro trincas formadas ao redor das partículas de 2ª fase.

Efeito das partículas de segunda fase na fratura dúctil em metal policristalino mostrando formação de alvéolos. Fractography Derek Hull Cambridge University Press.

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Influência da direção da tensão principal na morfologia dos alvéolos

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Superfície de fratura de corpo-de-prova de tração. Liga de alumínio 6152F.

15 x 700 x

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Superfície de fratura de corpo-de-prova de tração. Aço carbono. SAE 1045.

15 x 700 x

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Intergranular dimple rupture in a steel specimen resulting from microvoid coalescence at grain boundaries.

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Modos de fratura

Fratura Dúctil

Tipos de fratura

Fratura Frágil

Ilustração de ferramentas de pedra da pré-história mostrando sucessão de superfícies de fratura de aspecto conchoidal, decorrentes do processo de fabricação (flaking process). Lucile R. Addington, Lithic illustration, 1986, University of Chicago –in Fractography, Derek Hull, Cambridge Press.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Na fratura frágil, a trinca nucleia e propaga-se de maneira rápida com pequena ou nenhuma deformação plástica. As trincas frágeis são consideradas instáveis, pois uma vez iniciadas, propagam-se espontaneamente, sem qualquer alteração na magnitude da tensão aplicada.

σ[Mpa]

Deformação plástica

Modos de fratura

Fratura Frágil

Modos de fratura

Fratura Frágil

Macroscopicamente, a fratura frágil apresenta marcas em “V” denominadas “chevron marks” (marcas de sargento). As marcas de sargento apontam para o ponto de nucleação da trinca.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Para a maioria dos materiais cristalinos a propagação de trincas frágeis ocorre por repetidas e sucessivas quebras de ligações metálicas ao longo de planos cristalinos, denominados planos de clivagem. A clivagem é transgranular e microscopicamente a fratura exibe uma série de facetas, como resultado dos diferentes planos de clivagem.

Modos de fratura

Fratura Frágil

A fratura atravessa os grãos.

Fratura frágil evidenciando facetas de clivagem.

100 x 400 x

Modos de fratura

Fratura Frágil

Marcas de sargento apontam para região de início de fratura. ASM Handbook. FAILURE ANALYSIS AND

PREVENTION v. 11

Modos de fratura

Fratura Frágil

Detalhe de uma roda trincada

Modos de fratura

Fratura Frágil

Modos de fratura

Fratura Frágil

Modos de fratura

Fratura Frágil

Grelhas fundidos em

aço baixa liga e

submetidas à têmpera

integral.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Tipos de fratura

Fratura Intergranular

As fraturas intergranulares decorrem da decoesão dos contornos de grão.

Modos de fratura

A fratura passa ao longo dos contornos dos grãos.

Modos de fratura

Fratura intergranular Os seguintes fenômenos produzem fraturas intergranulares: Trincas de têmpera; Fragilização por revenido, “Rock candy” e Fragilização por hidrogênio.

Modos de fratura

Trincas de têmpera

A variação volumétrica resultante da transformação martensítica depende, predominantemente, do teor de C contido no aço.

Susceptibilidade

Modos de fratura

Trincas de tempera

Susceptibilidade

Camada inicial de martensita

Camada sub superficial austenítica

Modos de fratura

Fratura Frágil

Início

Modos de fratura

Fratura Frágil

A gênese das trincas de têmpera pode ser resumida em:

• forma-se uma camada inicial de martensita;

• com a resfriamento, as camadas de austenita sub-superficiais sofrem a transformação martensítica com um atraso em relação a camada inicial;

• estas transformações posteriores (com expansão volumétrica) impõem tensões de tração sobre acamada inicial, que pode resultar em trincas, se estas tensões ultrapassarem o limite de resistência.

Gênese

Modos de fratura

Fratura Frágil

Engrenagem temperada Superficialmente (têmpera por indução).

Exemplos

Modos de fratura

Fratura Frágil

Trincas de têmpera Exemplos

Modos de fratura

Fratura Frágil

Martelos fundidos em aço 5140 e submetidos à têmpera integral

Trincas de têmpera Exemplos

Modos de fratura

Fratura Frágil

Trincas de têmpera Exemplos Aspecto intergranular em superfície de fratura.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fragilidade ao revenido

Fragilidade ao revenido (500°C)

• Quando aços ao carbono e baixa-liga são revenidos por longos períodos ou resfriados lentamente através entre 375ºC e 575ºC, estes apresentam uma tenacidade inferior à obtida para temperaturas de revenimento mais baixas.

• Este fenômeno é chamado de fragilidade ao revenido reversível ou fragilidade dos 700°F.

Modos de fratura

Fratura Frágil

• A fragilidade ao revenido provoca decoesão dos antigos contornos austeníticos (fratura intergranular).

• A causa deste fenômeno é creditada a segregação de compostos contendo impurezas como P, Sb, As, Sn.

• O intensidade da fragilização aumenta com a presença dos elementos de liga Mn, Cr e Ni.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fragilidade ao revenido (500°C) • A cinética de fragilização obedece

uma curva em C com o cotovelo entre 500°C e 550°C.

• Abaixo dos 370°C, a difusão destas impurezas é baixa e não ocorre a fragilização.

• Acima dos 565°C, estas difundem-se e retornam à condição não-fragilizante.

Modos de fratura

Fratura Frágil

• Obviamente, quanto menor a concentração destas impurezas menores os efeitos na tenacidade.

• Aços submetidos a fragilização pelo revenido podem ter sua tenacidade restaurada pelo aquecimento até aproximadamente 600ºC, manutenção por alguns minutos e resfriamento rápido.

• O tempo para a restauração da tenacidade depende do teor de elementos de liga e da temperatura do reaquecimento.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fragilidade ao hidrogênio

Fragilização por hidrogênio

• A maioria dos processos galvânicos de recobrimento apresentam quantidades significativas de hidrogênio no estado iônico que difunde-se para o interior do metal pela diferença de concentração de H.

• A difusão de hidrogênio apresenta diversos efeitos deletérios, que incluem: geração de tensões internas, fragilização e/ou a precipitação de hidretos.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fragilização por hidrogênio • A fragilização por hidrogênio

produz fraturas intergranulares. • Provar que a fratura foi resultado

do hidrogênio é quase sempre impossível devido a saída gradativa do hidrogênio da estrutura cristalina (intervalo de tempo entre a fratura e a análise de H).

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fragilização por hidrogênio DESIDROGENIZAÇÃO

• O tratamento de desidrogenização (também chamado de “baking”) tem a função de remover o hidrogênio do metal.

• É realizado em estufa, em temperaturas da ordem de 150°C a 250ºC imediatamente após o processo de recobrimento. Os tempos variam entre 1 h e 5 h de tratamento.

Modos de fratura

Fratura Frágil

“Rock candy”

• O “Rock candy” é uma fragilização dos contornos de grão austeníticos provocada pela precipitação de AlN (nitreto de alumínio).

• Este fenômeno é característico em aços fundidos contendo teores de Al acima de 0,05%.

Fratura intergranular (rock

candy) em aço fundido.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Quanto maior a dimensão do fundido, menor a sua velocidade de resfriamento, produzindo microestruturas frágeis com menor teor de Al.

Modos de fratura

Fratura Frágil

“Rock candy” As fraturas resultantes de “rock candy” são intergranulares (grãos austeníticos). Na superfície dos grãos observa-se o aspecto dendrítico dos nitretos.

Macrografia evidenciando a precipitação de AlN em contornos de grão austeníticos em aço fundido.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Precipitação de AlN em contornos de grão austeníticos em aço fundido.

“Rock candy”

Modos de fratura

Fratura Frágil

“Rock candy”

Precipitação de AlN em contornos de grão austeníticos em aço fundido.

Modos de fratura

Fratura Frágil

Fratura por fadiga

Fadiga dos metais

• As falhas mecânicas decorrentes de CARREGAMENTOS CÍCLICOS que APRESENTEM TENSÕES DE TRAÇÃO são denominadas de falhas por FADIGA, em virtude de serem observadas, geralmente, após um período de serviço considerável.

• 90% das falhas de componentes mecânicos são decorrentes de fadiga.

Fadiga

Fadiga de um material

• A fadiga é um processo de redução da capacidade de carga de componentes estruturais pela ruptura lenta do material, através do avanço quase infinitesimal da trinca a cada ciclo de carregamento.

• A fadiga ocorre pela presença de tensões que variam com o tempo, que provocam deformações plásticas cíclicas localizadas nos pontos mais críticos.

• Estas deformações levam a uma deterioração do material que dá origem a uma trinca de fadiga que, com o prosseguimento do carregamento variável, vai crescendo, até atingir um tamanho suficiente para provocar a ruptura final.

Fadiga

Fadiga dos metais Histórico

• Falhas por fadiga são relatadas desde 1828.

• O termo fadiga foi empregado por Poncelet em 1839.

• August Wöhler estudou fraturas por fadiga em eixos ferroviários em 1860.

• As fraturas por fadiga representam custos da ordem de 3% do PIB americano (90 bilhões de dólares em 1983).

Fadiga

Fadiga dos metais Histórico

Caso dos Comets - 1955

Fadiga

Vista geral de uma fratura por fadiga evidenciando as marcas de praia.

• Em componentes estruturais, a falha se inicia sempre nos pontos mais solicitados. Quando a solicitação é dinâmica, esta falha começa na forma de pequenas trincas de fadiga, que vão crescendo e reduzindo a seção resistente, até que uma sobrecarga faz com que ocorra a ruptura final, por uma propagação brusca da trinca.

Fadiga

Fadiga de alto ciclo

• Fadiga de alto ciclo – refere-se a ocorrência de fadiga em componentes submetidos a um número de ciclos superior a 104. Está associada a pequenas deformações, nominalmente elásticas.

• É o tipo mais importante e, assim, o objeto de maior interesse

Fadiga

Fadiga de baixo ciclo

• Fadiga de baixo ciclo – manifestação de uma ou mais trincas de fadiga decorrentes de tensões cíclicas com duração de até 104 ciclos. A fadiga de baixo ciclo é acompanhada por deformações plásticas significativas.

Fadiga

Fadiga térmica

• Fadiga térmica – é o processo de fadiga em que as tensões cíclicas são causadas por expansão ou contração decorrentes de ciclos térmicos de aquecimentos e

resfriamentos.

Fadiga

Fadiga de contato

• Fadiga de contato (“freeting”) – refere-se aos processos de fadiga em componentes submetidos ao rolamento entre duas superfícies. É um fenômeno comum em engrenagens e rolamentos. O processo envolve a ocorrência de tensões cíclicas sub superficiais que promovem a nucleação de trincas sub superficias. Com o crescimento destas trincas até a superfície de contato, ocorre a fratura de pequenos fragmentos metálicos na forma de segmentos semiesféricos.

Fadiga

Corrosão-fadiga Fadiga associada à corrosão (corrosão fadiga) – refere-se às fraturas causadas pela ação conjunta de fadiga e corrosão.

Fadiga

Carregamentos e tensões cíclicas CICLO DE TENSÕES REVERSO: Possui forma senoidal. As tensões máximas e mínimas são iguais em módulo, porém, de sinais opostos. É o ciclo artificial mais comum em máquinas de fadiga. Entretanto, existem ciclos reais como aqueles desenvolvidos por eixos rotativos operando a velocidade constante e sem sobrecargas.

Fadiga

Carregamentos e tensões cíclicas CICLO DE TENSÃO FLUTUANTE: Tensão máxima (σmax.) e a tensão mínima (σmin.) são diferentes e assimétricas em relação ao zero.

Fadiga

Carregamentos e tensões cíclicas CICLO DE TENSÕES COMPLEXAS: As tensões e a freqüência variam aleatoriamente. É o tipo mais comum se tensão cíclica. • Exemplo: asa de avião, que está sujeita a sobrecargas

periódicas.

• Nos ensaios de fadiga são empregadas simulações com versões simplificadas destes ciclos.

Fadiga

Carregamentos e tensões cíclicas

Fadiga

TENSÃO MÉDIA (σm) • É a média algébrica das tensões máxima e

mínima no ciclo

Parâmetros aplicáveis aos ciclos de tensões

Fadiga

• AMPLITUDE DE TENSÃO (σa) • Corresponde a metade do intervalo de tensões

Fadiga

• RELAÇÃO DE TENSÕES (R) ou (A) • Corresponde a relação entre as amplitudes de tensão

mínima e máxima.

Fadiga

Ensaios de fadiga Os ensaios de fadiga podem ser realizados: • em corpos-de-prova usinados, visando a obtenção de

curvas S-N de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos e

• em componentes ou estruturas em seu estado acabado. Nestes casos, os componentes são submetidos a simulações de condições de serviço ou ensaios acelerados.

Fadiga

Ensaio de fadiga em

corpos-de-prova

Ensaios de fadiga em corpos de prova

• Construção de curva S-n para corpos-de-prova usinados de aço SAE 1045 por meio de flexão rotativa em dois estados de acabamento: usinado e polido

• Parte dos pontos já foram determinados e deverão ser lançados em curva S x n e

• Observação macroscópica de fraturas por fadiga.

Fadiga

Máquina de fadiga por flexão rotativa

Fadiga

Curvas S-n ferrosos x não-ferrosos Metais ferrosos e ligas de Ti apresentam limite de fadiga. Metais não-ferrosos são dimensionados pela vida fadiga (108 ou 109 ciclos)

Fadiga

Curvas S-n Natureza estatística das curvas

Fadiga

Aspectos macroscópico e microscópico das fraturas por fadiga

Fadiga

Aspectos da fratura por fadiga As fraturas decorrentes dos processos de fadiga apresentam características macro e microfractográficas particulares.

Fadiga

Aspectos macrofractográficos da fadiga

• Marcas de praia: São observadas á olho nú ou com até 10 vezes de aumento.

• As marcas de praia são encontradas em componentes que são sujeitos a interrupções (ou alterações bruscas no ciclo de tensão) durante a propagação da trinca no estágio II. Por exemplo: Um componente que trabalha um determinado n° de horas no dia.

Fadiga

B- pontos de origem da trinca; C- ruptura final (estágio III)

Fadiga

Marcas de praia

Fadiga

Marcas de praia em pistão de alumínio fundido em liga Al-12Si-3Cu.

Fadiga

Origem da trinca

Articulação de ônibus em ferro fundido nodular

Fadiga

Fratura por fadiga originada no fundo do rasgo de chaveta.

Fadiga

Origem da

trinca

Equipamento e localização do parafuso retirado de serviço no equipamento.

Fadiga

Vista geral da região de origem da trinca de fadiga evidenciando

“marcas de praia” e marcas de dente. As “marcas de dente”

indicam que a trinca nucleou de forma independente em vários

pontos na superfície. Com o crescimento destas trincas ocorreu

a intersecção formando uma única trinca de fadiga.

Fadiga

“Marcas de praia”

“Marcas de dente”

Marcas de praia em roda automotiva fundida em liga Al-11Si.

Fadiga

Origem

Marcas de praia em eixo submetido a flexão simples.

Fadiga

Origem

Marcas de praia em eixo submetido a flexão bilateral.

Fadiga

Marcas de praia em eixo submetido a flexão rotativa.

Fadiga

Fratura por fadiga em engates ferroviários fundidos em aço.

Fadiga

Marcas de praia em chapa de aço SAE 1010

Fadiga

Aspectos

microfractográficos da fadiga

Fadiga

Estrias de fadiga:

• As estrias de fadiga possuem dimensões microscópicas e somente são observadas em microscópio eletrônico de varredura (MEV) com ampliações entre 500 e 5000 x. Cada estria representa o avanço da trinca em um único ciclo de tensão.

Fadiga

Aspectos microfractográficos da fadiga

Estrias de fadiga

Fadiga

Estrias em palheta de rotor fundido em alumínio

Fadiga

Estrias em cabeçote de motor diesel fundido em liga de alumínio A357

Fadiga

50 x 500 x

Eixo fraturado por fadiga, submetido a flexão rotativa

Fadiga

10 x 25 x

Eixo fraturado por fadiga, submetido a flexão rotativa Análise de falhas - Modos de fraturas 111

Fadiga

500 x 2000 x

Estrias

Aspectos da fratura por fadiga

Cada alteração no ciclo provoca uma “marca de praia”

Fadiga

Cada ciclo provoca uma estria

• Nucleação de uma ou mais trincas de fadiga em regiões próximas à superfície.

• Crescimento da trinca em banda de escorregamento – crescimento da trinca em planos de alta tensão de cisalhamento. Este estágio é freqüentemente chamado de estágio I.

Fadiga

Nucleação e propagação da trinca de fadiga

• Ruptura final estática – Também é chamado de estágio III. Ocorre quando a trinca do estágio II atinge um tamanho crítico tal, que a seção transversal residual não resiste ao carregamento. Este estágio pode ocorrer de modo dúctil ou frágil, dependendo das propriedades mecânicas do material.

Fadiga

A nucleação sempre ocorrerá em uma descontinuidade superficial ou sub-superficial (inclusão, porosidade, pite de corrosão).

Inclusão de óxido em pistão diesel atuou como origem de trinca de fadiga

Fadiga

• Crescimento da trinca nos planos de alta tensão de tração - envolve o crescimento de uma trinca bem definida na direção normal à tensão de tração máxima. Este estágio é geralmente tratado como estágio II.

Fadiga

Existem dois modelos para a explicação

de estrias de fadiga no estágio II:

• Arredondamento por deformação plástica da ponta trinca

• Escorregamento na ponta da trinca

Fadiga

Crescimento da trinca no estágio II

Modelo mais

aceito

Fadiga Crescimento da trinca no estágio II

Fratura instável

• O estágio III (fratura instável) ocorre quando a trinca do estágio II atinge um tamanho crítico, que leva a fratura final.

Fadiga

1. ASM Handbook v. 11 Failure analysis and prevention 2. ASM Handbook v. 12 Fractography 3. Fractography, D. Hull 4. In Failure Analysis of Engineering Materials, Charles R. Brooks,

Ashok Choudhury 5. In Wulpi, D. J. Understanding How Components Fail ASM 1985 6. Acervo técnico IPT

Referências

analise de falhas -parte ii

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