aula 1 módulo de análise de falhas: histórico - pmt.usp.br 2501 - 2011 aula 1 analise de...

PMT 2051 – Módulo 1: análise de falhas Cesar R. F. Azevedo – aula 01 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais

aula 1módulo de análise de

falhas:histórico

Exemplo de degradação microestrutural em trocador de calor.C.R.F. Azevedo, F. Beneduce Neto, S.D. Brandi and A.P. Tschiptschin Cracking of 2.25Cr–1.0Mo steel tube/stationary tube-sheet weldment of a heat-exchanger. Engineering Failure Analysis, Available online 10 July 2007,


objetivos da primeira aula

• Criar perspectiva histórica de metodologias experimentais e dos objetivos.


histórico

Ilustração de ferramentas de pedra dura da pré-história mostrando sucessão de superfícies de fratura de aspecto conchoidal decorrente do processo de fabricação

(flaking process). Lucile R. Addington, Lithic Illustration, 1986, University of Chicago -in Fractography , Derek Hull, Cambridge Press.

Planos de clivagem


histórico

• A aparência das superfícies de fratura de metais foi usada nos princípios da extração de metal de minérios (controle de processo) para determinar a qualidade do material.


histórico - 1540A primeira descrição do uso da aparência da fratura para aferir a qualidade de um processo metalúrgico foi feita por Vannocio Biringuccio, no livro De La Pirotechnia, publicado em 1540.

Aparência da fratura para controle de qualidade de ligas ferrosas e não ferrosas (Cu, Sn e Cu-Sn).

De La Pirotechnia, Vannocio Biringuccio, 1540


histórico - 1574iLazarus Ercker em 1574 descreve em seu livro um procedimento para controle de qualidade de lingotes de cobre pela observação da superfície de ruptura (ensaio de impacto em amostra entalhada). Controle de processo por ensaio de impacto e certificado de guarantia.“The fracture surface will show the quality of the copper and allow future matching of the two halves of the ingot. One part is given to the buyer, the other to the seller.”

'Description of the Principle Mineral Ores and Methods of Mining' by

Lazarus Ercker (1574)


histórico – 1574ii

• Uma superfície de fratura cinza em lingotes de bronze é associada à contaminação por Pb, que causa trincamento durante o processamento do lingote. • Fratura frágil de lingotes de Ag é associada à contaminação por Pb and Sn.

Title Page of Lazarus Ercker's Treatise on Ores and Assaying 1574

Inspeção visual x adjetivos x

propriedade final:Controle de

qualidade e de processo


histórico - 1627Em 1627, Louis Savot descreveu em seu livro “Discours sur les médailles antiques” o uso do teste de fratura como método de aferir a qualidade de sinos fundidos de liga Cu-Sn-Bi. Foi a primeira tentativa de controlar o tamanho de grão de modo a aumentar a resistência ao impacto dos sinos em uso (Lei de Hall Petch).otimização microestrutural

http://www.cccbr.org.uk/


histórico – 1665

Página de título do livro Micrographia, Robert Hook, 1665. The Project Gutenberg eBookwww.gutemberg. org

Gravura do microscópio usado por Robert Hook, 1665.

"A intensidade da Força elástica (Fel) é diretamente proporcional à deformação (∆l)".


histórico – 1665

Clare College Bridge – 1640 -Cambridge

Ketton stone: rocha sedimentar e estratificada, feita de várias camadas concêntricas de carbonato de cálcio, CaCO3, usada em arquitetura na região de Stamford, UK.

Formada por precipitação de calcita (rombohédrica) em águas oceânicas -> crescimento estratificado ao longo do tempo -> tamanho crítico -> afundam -> acabam consolidadas entre si por precipitação e ação da pressão nos pontos de contato.


histórico – 1665Primeira imagem de superfície de fratura através de microscopia.O aumento do microscópio variava entre 30 e 90X, possuía pequena profundidade de foco e muitas aberrações.Imagem ao lado foi resultado de extenso trabalho com variações de foco. É considerada uma aula sobre a exata descrição do desconhecido.

Superfície de fratura da Kettering-stone.Microscópio. Cópia da fig. I, esquema IX, do livro Micrographia, Robert Hook, 1665. in Fractography , Derek Hull, Cambridge Press


a

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• A pedra é feita de inúmeros corpos menores, de diferentes tamanhos e formas, com morfologia predominantemente globular.• A interface de união entre os grãos é tão forte, que raramente a fratura ocorre por mera decoesão, mas ocorre em diversas profundidades de camada (a, b, c, e d).

histórico – 1665 descrição de Hooke

Superfície de fratura da Kettering-stone.Microscópio. Cópia da fig. I, esquema IX, do livro Micrographia, Robert Hook, 1665. in Fractography, Derek Hull, Cambridge Press


histórico – 1665

Comparação da imagem produzida por Hooke, esquema de propagação de fratura e imagem no modo SEI – MEV. in Fractography , Derek Hull, Cambridge Press.

a

aa

b

b

a

b

d

c

cc

c

c

b


histórico – 1722iOutro estudo muito significativo foi publicado em 1722 no livro de De Réaumur , The Art of Converting Wrought Iron to Steel and the Art of Softening Cast Iron, que ilustra a aparência macro e microscópica de várias classes de ferro e aço.Eles mostrou 7 classes de fraturas e as relacionava às propriedades destes materiais.

controle de qualidade

R.A.F. de Réaumur, The Art of Converting Wrought Iron to Steel and the Art of Softening Cast Iron. 1722. In ASM Handbook . Fractography – vol. 12


histórico - 1722ii

Type I fracture: Large, irregularly arranged, mirrorlike facets, indicating inferior metal (a-b)

R.A.F. de Réaumur, The Art of Converting Wrought Iron to Steel and the Art of Softening Cast Iron), Michael Brunet, 1722;

Type II fracture: More regular distribution and smaller facets, indicating a slightly improved metal (c-d)


histórico - 1722iii

Type V fracture: Framelike area surrounding an entirely fibrous center (k-m)

Type VII fracture: Characterized by a woody appearance (Fig. r)



histórico - 1722ivNeste mesmo livro, ele associou a aparência das fraturas com estágios de conversão de ferro em aço pelo processo de cementação.É interessante a influência do gradiente de microestrutura do metal sobre topografia de fratura.

R.A.F. de Réaumur, The Art of Converting Wrought Iron to Steel and the Art of Softening Cast Iron. 1722;


histórico – 1722v

Condição inicial do ferro (a)Alteração superficial devido á conversão para aço da superfície para o centro (d).


PMT 2051 – Módulo 1: análise de falhas Cesar R. F. Azevedo – aula 01 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais1801- Abbé René observou que cristais fraturavam por clivagem em certos planos cristalográficos de rochas. (cristalografia);1856 - Mallet relacionou ocorrência de fratura preferencial em cantos vivos de fundidos. (otimização de projeto);1862 - Kirkaldy relacionou alteração no aspecto da fratura (cristalina versus fibrosa) com tratamento térmico e taxa de deformação. (otimização microestrutural x processo);1868 - D.K. Tschernoff contribuiu para o estudo da fratura e discutiu o efeito do teor de carbono e do tratamento térmico no tamanho de grão da fratura. Foi o primeiro a identificar após fratura intergranular a forma real de um grão de aço.

histórico – 1801/ 68


Em 1878, Adolf Martenspublicou estudos examinando superfícies de fratura e amostras polidas-atacadas de aço examinados em microscópio ótico. In. P.D. Portella. Adolf Martens and his contributions to materials engineering. Palestra. Universidade de Cambridge, http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/Martens.pdf

histórico – 1878i


As superfícies de fratura eram obtidas após ensaios de tração, torção, flexão e fadiga.

In. P.D. Portella. Adolf Martens and his contributions to materials engineering. Palestra. Universidade de Cambridge, http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/Martens.pdf

histórico - 1878ii


histórico - 1878iii

In. P.D. Portella. Adolf Martens and his contributions to materials engineering.Universidade de Cambridge, www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2002/Martens.pdf

PMT 2051 – Módulo 1: análise de falhas Cesar R. F. Azevedo – aula 01 Universidade de São PauloEscola PolitécnicaDepto. Eng. Metalúrgica e de Materiais1885 - Brinell discute a influência do tratamento térmico na aparência da superfície de fratura em aços;1889 – Fratura taça-cone de ensaio de tração foi descrita e explicada por B. Kirsh.

histórico – 1885/ 89

In ASM Handbook. Fractography. Vol 12.


Com o surgimento da metalografia microscópica (Henry Sorby, 1863), o interesse dos estudos de fratura diminuiram bastante.

Nas décadas de 40 e 50 do sec. XX, Zapfe retomar fractografia para estudar a correlação entre orientação cristalográfica, estrutura e características da fratura frágil (clivagem e fratura intergranular) usando técnicas de microscopia ótica (baixa profundidade de foco).

histórico – 1863 - 1940

Henry Sorby


histórico – século XX

Trabalho feito em fraturas por Zapfe e colegas mostrando fratura por clivagem usando microscópio ótico. Esquerda: antimônio; direita: molibdênio. 1948. ASM Handbook – vol 12. Fractography



Zapfe foi ainda o primeiro investigador a observar a presença de estrias de fadiga em ligas de Al após ensaio de fadiga de flexão (1951).

Trabalho feito em fraturas por Zapfe e colegas mostrando fratura por fadiga usando microscópio ótico. Liga de alumínio. 1951. ASM handbook- v. 12. Fractography



• No início da década de 60, o desenvolvimento da microscopia eletrônica, com uso da técnica de réplica associada à MET, e posteriormente com o uso do MEV(Cambridge University) levaram ao desenvolvimento da fractografia;

• A fractografia passa a ser usada para entender os fenômenos de nucleação e crescimento de trincas;

• Fractografia torna-se uma importante ferramenta de análise de falha de componentes de engenharia.



Fratura intergranular em tungstênio sinterizado – réplica

In C. D. Beachen. The Interpretaion of Electron Microscope FractographsU.S. Naval Research Laboratory.

Washington – January 1966



Fratura por alvéolos em aço maraging – réplica

In C. D. Beachen. The Interpretaion of Electron Microscope

Fractographs. U.S. Naval Research Laboratory. Washington – January 1966



Fratura por fadiga na matriz e frágil no precipitado – liga de Al –

réplica

In C. D. Beachen and R. M. N. Pelloux. Electron Fractography – A Tool for the

Study of the Micromechanism of Fracturing Process. STP 381 – ASTM. 1965



Técnica de fractografia associada com metalografia adjacente ao ponto de início da fratura de modo a determinar ponto de início de fratura na microestrutura.

Aço temperado e revenido ensaio de propagação de trinca a partir de pré-trinca de

fadiga, transição dúctil-frágil. Fractography – Derek Hull – Cambridge

University Press



• Há uma tendência iniciada para uso de ferramentas de reconstrução tridimensional de superfícies de fratura obtidas por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura;• Estes resultados podem ser cruzados com imagens de metalografia tridimensional.



Uso do MeX software para reconstrução 3D de topografias de fratura, com determinação de variáveis quantitativas a partir de pares estéreo feitos em MEV.

Canimpex. http://www.cpx-solutions.com/Alicona/ClientAccess.html



Uso do MeX software para reconstrução 3D de topografias de fratura, com determinação de variáveis quantitativas a a partir de pares estéreo feitos

em MEV.Canimpex.

http://www.cpx-solutions.com/Alicona/ClientAccess.html



Novos softwares associados a mais potentes estéreo-microscópios com eixo motorizado permitem a

reconstrução da vista de topo de um topografia irregular com profundidade bem superior á distância focal do equipamento pela soma de imagens de vários

planos.

In: http://www.zeiss.com



Novos softwares de reconstrução de 3D com técnicas de polimento sucessivos permitem visualização

da microestrutura em 3D.Imagem aço hiper-eutetóide (precipitação

de cementita).



Novos softwares de reconstrução de 3D com técnicas de polimento sucessivos permitem visualização

da microestrutura em 3D.

Imagem aço hiper-eutetóide (precipitação de cementita) e de aço hipo-eutetóide

(precipitação de ferrita)


histórico – século XXSoftwares de análise de tensões por elementos finitos permitem a comprovação de hipóteses da análise metalúrgica da falha,

dando um aspecto mais quantitativo à análise e identificando regiões de carregamento crítico.

http://www.endolab.de/computer/computersimulation_e.htmhttp://www.endolab.de/computer/computersimulation_e.htm

Stent de coronária


Comentários finais

• Qual foi a evolução do papel da fractografia?• Tendências em técnicas experimentais e modelamento?

• Para que serve a análise de falhas?• O que deve ser levado em conta durante uma análise de falhas?

• Complicações de casos de análise de falhas?• Quais as possíveis aplicações da análise de falhas em sua vida?

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