aula02 fratura dos materiais 2

1Fratura dos MateriaisNoes de Mecnica da Fratura

PMT 2200 - Cincia dos Materiais

Prof. Hlio GoldensteinProf. Cludio G. Schn

Departamento de Engenharia Metalrgica e de MateriaisEscola Politcnica - USP

PMT - 2200

Roteiro da aulau Fratura dos materiais

Fratura dctil em metais Fratura frgil por clivagem Fratura frgil intergranular Fratura frgil em materiais amorfos

u Noes de mecnica da fratura Concentradores de tenso Critrio de Griffith Tenacidade fratura Distribuio de Weibull

u Fratura por fadigau Mecanismos de tenacificao em cermicas e polmeros

2Departamento de Engenharia Metalrgica e de MateriaisEscola Politcnica - USP

PMT - 2200

Fratura dos Materiais

Fratura a separao de um corpo em duas ou mais partes quando submetido a um esforo mecnico.

Fratura dtil ocorre apenas aps extensa deformao plstica e se caracteriza pela propagao lenta de trincas resultantes da nucleao e crescimento de microcavidades.

Fratura frgil ocorre pela propagao rpida de trincas, acompanhada de pouca ou nenhuma deformao. Nos materiais cristalinos ocorre em determinados planos cristalinos chamados planos de clivagem ou ao longo dos contornos de gro.


PMT - 2200

Fratura dctil (colapso plstico)u Na ausncia de heterogeneidades microestruturais que nucleiem

uma trinca, a estrico prossegue at que a seo do corpo se anule Colapso plstico

(a) Representao esquemtica do desenvolvimento do colapso plstico em um metal dctil

(b) Amostra monocristalina de cobre de alta pureza que se rompeu por colapso plstico


PMT - 2200

Fratura dctil por coalescimento de microcavidades

u Em um ensaio de trao de materialdtil, aps a estrico, formam-se micro-cavidades em heterogenei-dades da microestrutura (por exem-plo, incluses). Continuando a de-formao estas microcavidadescoalescem permitindo a propagao da fratura at o permetro externo do corpo de prova.

u A observao detalhada da superfcie de fratura com lupa ou microscpio eletrnico de varredura revela a presena de alvolos (dimples)

u O colapso plstico se desenvolve nas fronteiras das microcavidades


PMT - 2200

Fratura frgil por clivagemu A fratura frgil em geral aproximadamente perpendicular tenso de

trao aplicada e produz uma superfcie relativamente plana e brilhante. u Nos materiais cristalinos corresponde quebra sucessiva das ligaes

atmicas ao longo de um plano cristalogrfico caracterstico, chamado plano de clivagem.

u Este modo de fratura caracterstico de metais que apresentam algum impedimento para o escorregamento de discordncias alta resistncia mecnica

Clivagem em ao Maraging 300M Clivagem em cermica (TiB2)


PMT - 2200

Fratura frgil intergranularu Ocorre quando o contorno de gro apresenta resistncia mecnica

menor que a matriz Precipitados frgeis no contorno ou estruturas cristalinas complexas

u A trinca caminha ao longo dos contornos de gro, revelando o seu formato tridimensional

Fratura intergranular em ao Fratura intergranular em alumina com 99,4% de pureza


PMT - 2200

Fratura frgil em materiais amorfosu Dois estgios: nucleao e propagao da trinca bifurcao da

trinca

(a) Representao esquemtica dos processos de nucleao e de propagao da trinca em um material cermico.

(b) Na experincia ao lado um martelo atingiu a placa espessa de vidro com velocidades diferentes (V1


PMT - 2200

Fratura frgil em materiais amorfos

(a) Aspecto da fratura em uma amostra de polister com elevada taxa de ligaes cruzadas.

(b) Representao esquemtica da superfcie de fratura indicando a nomenclatura utilizada.


PMT - 2200

Mecnica da Fratura

Ramo da Cincia dos Materiais que busca a compreenso dos mecanismos da fratura, quantificando as relaes entre as propriedades dos materiais, tenses aplicadas, defeitos que induzem trincas e mecanismo de propagao das trincas


PMT - 2200

Concentradores de tensou Irregularidades na forma de um componente perturbam o campo

de tenso de um componente, amplificando o mesmo em suas proximidades concentradores de tenso Exemplos de concentradores de tenso: Riscos, entalhes,

cantos vivos, mudanas de seo no componente

A figura ao lado representa esquematicamente o efeito de um entalhe sobre o campo de tenses de um componente submetido trao. Note que a separao entre as linhas diminui nas proximidades da ponta do entalhe, indicando que a intensidade da tenso maior neste ponto.


PMT - 2200

Concentrao de tenses

A tenso terica necessria para romper as foras de ligao entre os tomos da ordem de E/10 (E o mdulo de rigidez).

Medidas experimentais fornecem valores entre E/10.000 e E/100. Para explicar esta discrepncia Griffith sugeriu que defeitos no material agem como microtrincasintensificando localmente a tenso microscpica aplicada. Um defeito elptico de comprimento 2a e raio da ponta rt , a tenso aplicada s0 d origem a uma tenso sm na ponta do defeito tal que:

ssm=2 ss0(a/ rrt )1/2


PMT - 2200

O critrio de Griffith

u Quando uma trinca de comprimento 2a se forma, a tenso elstica agindo sobre o material relaxa liberando uma energia UE=(pp .a2.s2)/E (para uma espessura unitria da amostra); em compensao despendido um trabalho de criao de duas novas superfcies livres de US=4.a.gg , onde gg a energia de superfcie. A energia total UT=UE + US

u Griffith prope que a trinca cresce espontaneamente apenas se um aumento infinitesimal da na trinca provocar uma variao nula ou negativa na energia a ela associada, ou seja:

dUT/da = d(UE + US )/da = 2 (pp .a2.s2)/E +4 gg = 0

s s=(2 gg E/pp.a)1/2

u o critrio de Griffith pressupe que o raio na ponta da trinca seja fino o suficiente para que a tenso local exceda a energia de coeso do material


PMT - 2200

Tenacidade fratura

Existem trs geometrias de abertura de trinca . A mais fcil de ser entendida e tratada o modo I.Para o modo I e utilizando hipteses de comportamento linearmente elstico (hookeano), pode-se obter um fator de intensificao de tenses K relacionando a tenso aplicada ss ao comprimento 2a de uma trinca pr-existente

K=Y. ss .(pp. a)1/2

onde Y um parmetro adimensional que depende do tamanho e geometria do sistema.


PMT - 2200

Tenacidade fratura

Se a tenso ss for a tenso crtica ssC para

propagao de uma trinca de Griffith, ento teremos um fator de intensificao da tenso crtica:

KIC= Y ssC (p.a)1/2

(no modo I de solicitao). Para corpos de prova suficientemente espessos, o KIC uma constante que depende apenas do material, chamada de Tenacidade Fratura no modo plano de deformao. Sua unidade MPa. m1/2.

ssC< KIC /Y. (pp .a)1/2

ou

aC = (1/pp ). (KIC/ss .Y)2


PMT - 2200

Fratura frgil de cermicas

u Vale a tenacidade fratura em estado plano de deformao

KIC= Y ss C (p.a)1/2

u Ensaio mecnico tpico a flexo em trs pontos

Tenso de ruptura (mxima) no ensaio de flexo em trs pontos para seces circulares e retangulares


PMT - 2200

Anlise estatstica do processo de fraturau Como visto, a tenso de ruptura de um material frgil depende do

tamanho do defeito crtico pr-existente.

u O tamanho dos defeitos pr-existentes segue uma distribuio estatstica (dada pela probabilidade de um defeito de dimenso a existir em um dado volume do material)

u Logo: se ensaiarmos n amostras do material frgil iremos obter uma distribuio de valores para a tenso de ruptura distribuio deWeibull

Representao esquemtica da distribuio de Weibull para a probabilidade de fratura de um corpo em funo do nvel de tenso como obtida para materiais frgeis (baixo valor de m) e dcteis (alto valor de m)


PMT - 2200

Distribuio de Weibull

P(V0) = Probabilidade (acumulada) de sobrevivncia do corpo de volume V0 at a tenso sm = constante chamada mdulo de Weibull (caracteriza a largura da distribuio, quanto menor o seu valor, mais larga a mesma)s0 = constante (caracteriza aproximadamente a tenso correspondente mdia da distribuio)

P(V0) = exp[-(s/s0)m]

10


PMT - 2200

Fratura por fadigau Trs estgios: nucleao, propagao estvel e propagao

instvel

Representao esquemtica de uma superfcie de fratura por fadiga

Superfcie de fratura em eixo chavetado que rompeu por fadiga


PMT - 2200

A superfcie de fratura por fadiga

uNa propagao estvel o avano da trinca lento e cclico Marcas de praia (Beach marks) ou estrias

Representao esquemtica da formao de estrias durante um ciclo de fadiga (as setas indicam a atividade de sistemas de escorregamento prximo ponta da trinca).

(a) Tenso zero(b) Tenso baixa de trao(c) Tenso mxima de trao(d) Tenso baixa de compresso(e) Tenso mxima de compresso(f) Tenso baixa de trao

11


PMT - 2200

Mecanismos de tenacificao de cermicas

Aumento da resistncia propagao da trinca

u Mecanismo intrnseco: Processamento mais cuidadoso para reduzir

o tamanho de defeito crticou Mecanismos Extrnsecos:

(a) Adio de fibras que ancoram as superfcies de fratura

(b) Adio de partculas que sofrem transformaes de fase sob a ao do campo de tenses da trinca

(c) Adio de microtrincas que promovem a deflexo e bifurcao da trinca principal


PMT - 2200

Mecanismos de tenacificao de polmeros

u Formao de blendas com polmeros mais tenazes (exemplo, Epoxi e Acrilonitrila-Butadieno-Estireno, ABS)

u Adio de partculas de borracha aos termorgidos por mistura mecnica (exemplo Epoxi modificado com elastmero)

u Adio de partculas de borracha ou elastmero ao termorgido por co-polimerizao.

u Promoo da nucleao profusa de microfibrilas (crazes) ou bandas de deformao, que consomem parte da energia necessria para crescer a trinca (exemplo, Poliestireno de alto impacto, HiPS)

12


PMT - 2200

Fratura em polmerosu Microfibrilamento (crazing) e formao de bandas de cisalhamento so mecanismos

competitivos de deformao em polmeros.u Microfibrilamento induz fratura frgil, pois as microfibrilas agem como stios de

nucleao de trincas modificao do modo de deformao induz aumento de

tenacidade.u Exemplo: adio de poli-oxido de fenilno (PPO) a poliestireno attico (APS)

C = microfibrilas, S = bandas de cisalhamento, D = bandas de cisalhamento difusas. A seta indica a direo de aplicao do esforo

aula02 fratura dos materiais 2

Documents