falha ou ruptura nos metais

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FALHA OU RUPTURA NOS METAIS

Fratura

Fadiga

Fluência

Difusão

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• A engenharia e ciência dos materiais tem papel importante na prevenção e análise de falhas em peças ou componentes mecânicos.

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FRATURA

• Consiste na separação do material em 2 ou mais partes devido à aplicação de uma carga estática à temperaturas relativamente baixas em relação ao ponto de fusão do material

Pro

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o -

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ZOFratura

� O processo de fratura é normalmente súbito ecatastrófico, podendo gerar grandes acidentes.

Envolve duas etapas: formação de trinca e propagação.

� Pode assumir dois modos: dúctil e frágil.

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FRATURA

• Dúctil a deformação plástica continua até uma redução na área para posterior ruptura (É OBSERVADA EM MATERIAIS CFC)

• Frágil não ocorre deformação plástica, requerendo menos energia que a fratura dúctil que consome energia para o movimento de discordâncias e imperfeições no material (É OBSERVADA EM MATERIAIS CCC E HC)

O tipo de fratura que ocorre em um dado material depende

da temperatura

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FRATURAEx: Materiais submetidos ao ensaio de tração

Fraturas dúcteis

Fratura frágil

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FRATURA DÚCTILE ASPECTO MACROSCÓPICO

Fratura após ensaio de tração

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MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL

a- formação do pescoço

b- formação de cavidades

c- coalescimento das cavidades para promover uma trinca ou fissura

d- formação e propagação da trinca em um ângulo de 45 graus em relação à tensão aplicada

e- rompimento do material por propagação da trinca

Material dúctil submetido ao ensaio de tração

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FRATURA DÚCTILE ASPECTO MICROSCÓPICO

Pro

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o -

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ZO

Fratura dúctil e frágil

� Fratura frágil– O material se deforma pouco,

antes de fraturar.

– O processo de propagação de trinca pode ser muito veloz, gerando situações catastróficas.

– A partir de um certo ponto, a trinca é dita instável porque se propagará mesmo sem aumento da tensão aplicada sobre o material.

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FRATURA FRÁGILASPECTO MACROSCÓPICO

A fratura frágil ocorre com a formação e propagação de uma trincaque ocorre a uma direção perpendicular à aplicação da tensão

Material frágil submetido ao ensaio de tração

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FRATURA FRÁGILASPECTO MACROSCÓPICO

Início da fratura por formação de trinca

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FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR

TRANSGRANULAR INTERGRANULAR

A fratura passa através do grãoA fratura se dá no contorno de grão

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EXEMPLO DE FRATURA SOB TRAÇÃO EM MATERIAIS COMPÓSITOSEx: Liga de alumínio reforçada com partículas de SiC e Al2O3

A fratura da partícula se dá por clivagem, ou seja, ocorre ao longo de planos cristalográficos específicos

Fratura: dúctil+frágil

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CONCENTRAÇÃO DE TENSÃO

• A resistência `a fratura depende da coesão entre os átomos

• Segundo a teoria a resistência coesivapara um material frágil=E/10

• Na prática é entre 10-1000 X menor• A.A. Griffith (1920) explicou essa diferença: a

presença de microdefeitos ou microtrincas presentes no material faz com que as tensões sejam amplificadas.

A magnitude da amplificação depende da orientação e da geometria da trinca.

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FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES (Ke)

Ke = σσσσm/ σσσσo = 2 (a/ρρρρe)1/2

Ke = mede o grau com que uma tensão é amplificada na extremidade da trinca

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ENSAIOS DE FRATURA POR IMPACTO

• Foram criados antes do desenvolvimento da “mecânica da fratura”

O ensaio de resistência ao choque caracteriza ocomportamento dos materiais quanto `a transição docomportamento dúctil para frágil emfunção datemperatura

Pro

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Transição dúctil-frágil

� A ductilidade dos materiais é função da temperatura e da presença de impurezas.

� Materiais dúcteis se tornam frágeis a temperaturas mais baixas. Isto pode gerar situações desastrosas caso a temperatura de teste do material não corresponda a temperatura efetiva de trabalho.

– Ex: Os navios tipo Liberty, da época da 2ª Guerra, que literalmente quebraram ao meio. Eles eram fabricados de aço com baixa concentração de carbono, que se tornou frágil em contato com as águas frias do mar.

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ENSAIO DE TENACIDADE À FRATURA

A tenacidade é avaliada comparando-se as curvas para diferentes materiais com diferentes comprimentos de trincas

Pro

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FADIGA

• É a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturas sujeitas à forças dinâmicas e cíclicas

• Nessas situações o material rompe com tensões muito inferiores à correspondente à resistência à tração (determinada para cargas estáticas)

• É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas

• A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.

Pro

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FADIGA

• A fratura ou rompimento do material por fadiga geralmente ocorre com a formação e propagação de uma trinca.

• A trinca inicia-se em pontos onde há imperfeição estrutural ou de composição e/ou de altaconcentração de tensões (que ocorre geralmente na superfície)

• A superfície da fratura é geralmente perpendicular à direção da tensão à qual o material foi submetido

Pro

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FADIGA

• Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:

• Tração

• Tração e compressão

• Flexão

• Torção,...

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RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGACURVA σ-N OU CURVA WOHLER

A CURVA σ-N REPRESENTA A TENSÃO VERSUS NÚMERODE CICLOS PARA QUE OCORRA A FRATURA.

Normalmente para N utiliza-se escala logarítmica

Pro

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PRINCIPAIS RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA

Limite de resistência à fadiga (σσσσRf): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nunca sofrerá ruptura por fadiga.

Para os aços o limite de resistência à fadiga (σRf) está entre 35-65% do limite de

resistência à tração.

σσσσRf = 35-65% σσσσm

Pro

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Resistência à fadiga(σf): em alguns materiais a

tensão na qual ocorrerá a falha decresce

continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a

fadiga é caracterizada por resistência à fadiga

(σσσσf)

Que corresponde à tensão na qual ocorre a ruptura p/ um no. arbitrário

de ciclos (em geral 107-108 ciclos)

Pro

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Vida em fadiga (Nf): corresponde ao número de ciclos necessários para ocorrer a falha em um nível de tensão específico.

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FATORES QUE INFLUENCIAM A VIDA EM FADIGA

Tensão Média:o aumento do nível médio de tensão leva a uma diminuição da vida útilEfeitos de Superfície:variáveis de projeto (cantos agúdos e demais descontinuidades podem levar a concentração de tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimento, jateamento, endurecimento superficial melhoram significativamente a vida em fadiga)Efeitos do ambiente:fadiga térmica (flutuações na temperatura) e fadiga por corrosão(ex. pites de corrosão podem atuar como concentradores de tensão)

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FLUÊNCIA (CREEP)

• Quando um metal é solicitado por uma carga, imediatamente sofre uma deformação elástica. Com a aplicação de uma carga constante, a deformação plástica progride lentamente com o tempo (fluência) até haver um estrangulamento e ruptura do material

• Velocidade de fluência (relação entre deformação plástica e tempo) aumenta com a temperatura

• Esta propriedade é de grande importância especialmente na escolha de materiais para operar a altas temperaturas

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FLUÊNCIA (CREEP)

• Então, fluência é definida como a deformação permanente, dependente do tempo e da temperatura, quando o material é submetido à uma carga constante

• Este fator muitas vezes limita o tempo de vida de um determinado componente ou estrutura

• Este fenômeno é observado em todos os materiais, e torna-se importante à altas temperaturas (0,4TF)

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FLUÊNCIA (CREEP)

FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA

• Temperatura

• Módulo de elasticidade

• Tamanho de grãoEm geral:

Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de elasticidade e maior é a resist. à

fluência.Quanto maior o o tamanho de grão maior é a resist. à

fluência.

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O encruamento é um fenômeno modificativo da estrutura dos metais, em que a deformação plástica realizada abaixo da temperatura de recristalização causará o endurecimento e aumento de resiliência do metal.

O encruamento de um metal pode ser definido como sendo o seu endurecimento por deformação plástica. Ocorre basicamente porque os metais se deformam plasticamente por movimento de discordâncias e estas interagem diretamente entre si ou com outras imperfeições, ou indiretamente com o campo de tensões internas de várias imperfeições e obstáculos. Estas interações levam a uma redução na mobilidade das discordâncias, o que é acompanhada pela necessidade de uma tensão maior para provocar maior deformação plástica.

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PERGUNTAS

Por quê um tamanho de grão grande favorece uma maior resistência à fluência?

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ENSAIO DE FLUÊNCIA

É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante

O tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do componente

Mede-se as deformações ocorridas em função do tempo (εεεε x t)

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Curva ε x tEstágio primário:ocorre um decréscimo contínuo na taxa de fluência (ε = dε/dt), ou seja, a inclinação da curva diminui com o tempo devido ao aumento da resistência por encruamento.

ε= dε/dtdiminui

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Curva ε x t

Estágio secundário:a taxa de fluência (ε = dε/dt) é constante (comportamento linear). A inclinação da curva constante com o tempo é devido à 2 fenômenos competitivos: encruamento e recuperação.O valor médio da taxa de fluência nesse estágio é chamado de taxa mínima de fluência(εm), que é um dos parâmetros mais importantes a se considerar em projeto de componentes que deseja-se vida longa.

εεεε = dεεεε/dtconstante

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Curva ε x t

Estágio terciário: ocorre uma aceleração na taxa de fluência (ε = dε/dt) que culmina com a ruptura do corpo de prova.

A ruptura ocorre com a separação dos contornos de grão, formação e coalescimento de trincas, conduzindo a uma redução de área localizada e conseqüente aumento da taxa de deformação

εεεε = dεεεε/dtaumenta

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5. Mecanismos de movimento atômico

DIFUSÃO

TRANSPORTE DE MATERIAL POR MOVIMENTOS ATÔMICOS

- Mecanismo da difusão

- Fatores que influem na difusão

- Difusão no estado estacionário

- Difusão no estado não-estacionário

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DIFUSÃOEXEMPLOS PRÁTICOS DE PROCESSOS BASEADOS EM DIFUSÃO

• Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade

• Cementação e nitretação dos aços para endurecimento superficial

• Outros tratamentos térmicos como recristalização, alívio de tensões, normalização,...

• Sinterização

• Alguns processos de soldagem

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DIFUSÃOCONSIDERAÇÕES GERAIS

• Os átomos em um cristal só ficam estáticos no zero absoluto

• Com o aumento da temperatura as vibrações térmicas dispersam ao acaso os átomos para posições de menor energia

• Movimentos atômicos podem ocorrer pela ação de campos elétrico e magnético, se as cargas dos átomos interagirem com o campo.

• Nem todos os átomos tem a mesma energia, poucos tem energia suficiente para difundirem

Pro

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TIPOS DE DIFUSÃO

• Interdifusão ou difusão de impurezas(é o mais comum) ocorre quando átomos de um metal difunde em outro. Nesse caso há variação na concentração

• Autodifusão ocorre em cristais puros. Nesse caso não há variação na concentração

Pro

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MECANISMOS DE DIFUSÃO• Vacâncias (um át. da rede move-se p/

uma vacância)

• Intersticiais (ocorre com átomos pequenos e promovem distorção na rede)

• A difusão dos intersticiais ocorre mais rapidamente que a difusão de vacâncias, pois os átomos intersticiaissão menores e então tem maior mobilidade.

• Além disso, há mais posições intersticiaisque vacâncias na rede, logo, a probabilidade de movimento intersticial é maior que a difusão de vacâncias.

Pro

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MECANISMOS DE DIFUSÃO

• Contorno de grão (importante para crescimento de grãos)

• Discordâncias (o movimento das discordâncias produz deformação)

• Fenômenos superficiais (importante para sinterização)

Pro

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A DIFUSÃO SÓ OCORRE SE

HOUVER GRADIENTES DE:

• Concentração

• Potencial

• Pressão

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ENERGIA DE ATIVAÇÃO

O interesse está nos átomos com energia suficiente para se mover

Boltzmann n = f (e -Q/KT)

Ntotal• n= número de com energia suficiente para difundir

• N= Número total de átomos

• Q= energia de ativação (erg/át)

• K= Constante de Boltzmann= 1,38x10-6 erg/át

Pro

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ENERGIA DE ATIVAÇÃO

Superfície

Contorno de grão

Vacâncias e intersticiais

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VELOCIDADE DE DIFUSÃO

• EQUAÇÃO DE ARRHENIUS

V = c (e -Q/RT)

• c= constante

• Q= energia de ativação (cal/mol) é proporcional ao número de sítios disponíveis para o movimento atômico

• R= Constante dos Gases= 1,987 cal/mol.k

• T= Temp. em Kelvin

Pro

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VELOCIDADE DE DIFUSÃO EM TERMOS DE FLUXO DE DIFUSÃO

J= M/A.t em kg/m2.s ou at/m2.s

M= massa (ou número de

átomos)

A= área

t= tempo

Pro

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DIFUSÃO NO ESTADO ESTACIONÁRIO

Fonte: Prof. Sidnei Paciornik do Departamento de Ciência dos Materiais e Metalurgia da PUC-Rio

Pro

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COEFICIENTE DE DIFUSÃO (D)

• Dá indicação da velocidade de difusão

• Depende:� da natureza dos átomos em questão

� do tipo de estrutura cristalina

� da temperatura

Pro

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• O Coef. De difusão pode ser calculado a partir da equação:

D = Do (e -Q/RT)

onde Do é uma constante calculada para um determinado sistema (átomos e estrutura)

Pro

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Pro

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Pro

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EFEITOS DA ESTRUTURA NA DIFUSÃO

FATORES QUE FAVORECEM A

DIFUSÃO

• Baixo empacotamento atômico

• Baixo ponto de fusão

• Ligações fracas (Van der Walls)

• Baixa densidade

• Raio atômico pequeno

• Presença de imperfeições

FATORES QUE DIFICULTAM A DIFUSÃO

Alto empacotamento atômico

Alto ponto de fusão

Ligações fortes (iônica e covalentes

Alta densidade

Raio atômico grande

Alta qualidade cristalina

Pro

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DIFUSÃO


Pro

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CONSIDERAÇÕES GERAIS

• Os estágios finais de homogeneização são lentos

• A velocidade de difusão diminui com a diminuição do gradiente de concentração

• O gradiente de difusão varia com o tempo gerando acúmulo ou esgotamento de soluto

Pro

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DIFUSÃOExemplo: Cementação

falha ou ruptura nos metais

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