Aspectos Microscópicos e Estruturais da Fratura

Palestrante : Eng. Mec. Washington Luis

Sumário

• Definições• Tipos de Fratura• Modos de Fratura• Modos de Fratura• Ruptura por Dimple• Tamanho dos Dimples• Efeito das Partículas de Segunda Fase

Definições

A fratura de um corpo sólidoconsiste na separação dessecorpo em duas ou mais partessob a ação de esforços mecânicossob a ação de esforços mecânicos[Bresciani et.al].

Tipos de Fratura

Os metais podem apresentar muitos tiposdiferentes de fratura, dependendo do material , doestado de tensões e da taxa de carregamento[Dieter, G. E].[Dieter, G. E].

Existem duas categorias amplas de fraturas

conhecidas como:

Fratura Dúctil

Fratura FrágilEsquema das características microestruturais em materiais metálicos [Janssen M.et al.]

Tipos de Fratura

• Fraturas Dúcteis� Possui uma conotação

de grande deformaçãoplástica macroscópica.

• Fraturas Frágeis.� Esta associado a

deformação plásticamínima.plástica macroscópica.

� Materiais podem falharpor clivagem (Processobasicamente frágil)após uma grandedeformação.

mínima.� É também possível se

ter deformação plásticadesprezível em ummetal que falha por ummecanismo dúctil.

Tipos de Fratura

FRATURA DÚCTIL FRATURA FRÁGIL

Alta quantidade de energia éabsorvida pela coalescência dasmicrocavidades durante a falha dúctil.

Baixa quantidade de energia éabsorvida pela fratura transgranularde clivagem.

Modos de Fratura

• As fraturas nas ligas de engenharia podemocorrer de maneira transgranular ouintergranular [ Handbook 12].

• Transgranular : A ruptura ocorre entre os grãos.

• Intergranular : A ruptura ocorre no contorno dogrão.

Modos de Fratura

• Fratura Transgranular

Transgranular1 2

IntergranularIntergranular1 2

• Fratura Intergranular3 3

Modos de Fratura

Independentemente do caminho da fratura,existem essencialmente apenas quatro modosprincipais de fratura:principais de fratura:

• Ruptura por Dimple. • Clivagem. • Fadiga. • Ruptura Decoesiva.

Modos de Fratura

Ruptura por dimple Al 5052 recozido.

Ruptura decoesiva de um monelfalha no mercúrio líquido.

Ruptura por fadiga de um Al 2024-T3 continuidade da fratura ao redor

da inclusão.

Fratura por clivagem do aço-cromo.

Imagem de fratura intergranular e transgranular com uma interface de poros ou cavidades [Carmeane E. 2004].

Modos de Fratura

Classificação Esquemática das morfologias das fraturas [Meyers, M. A; Chawla K.K. 2009].

Transgranular [Handbook 12]

Intergranular [Janssen M.et al.]

Empescoçamento [Hertzberg R. W.]

Cisalhamento [Handbook 12]

Ruptura por “Dimple”

O mecanismo de fratura dúctil demetais é classicamenteentendido como um processo deentendido como um processo dedano no qual estão envolvidos osseguintes estágios [Hippert E. J.Ruggieri C. 2003].

� Nucleação.� Crescimento.� Coalescência de Cavidades.

Seqüência esquemáticados eventos principaispara a formação da fraturataça- cone [Meyers, M. A;Chawla K.K. 2009].

Ruptura por “Dimple”

As microcavidades nucleiamde regiões com tensõesdescontinuas que estãoassociados com partículas desegunda fase, inclusões,contornos de grão, acúmulosde discordâncias [Handbook12 ].

Ruptura por dimpleilustrando uma inclusão, queserviu como agentenucleante da microcavidade[Meyers, M. A; Chawla K.K.2009]..

Ruptura por “Dimple”

Crescimento Inclusões em uma matriz

dúctil.

Nucleação das cavidades.

Crescimento das cavidades

Deformações localizadas entre as

cavidades.

Empescoçamento entre as cavidades.

Coalescimento das cavidades e a fratura.

Ruptura por “Dimple”

Planos aleatórios de partículas agindo como

precursores das microcavidades.

Crescimento das microcavidades para adesão de uns aos

outros com o acréscimo da tensão aplicada.

Coalescência das microcavidades de forma livre sobre a

superfície da fratura. Dimples centrados sobre partículas esféricas.

[Udomphol, T. 2006]

Forma dos “Dimples”

Foto obtida via MEV com baixa ampliação (centro) e alta ampliação (esquerdae direita superior) do aço AISI 1008. Dimple equiaxial na região central edimples alongados sobre as paredes cisalhadas, os lados da taça. [Meyers, M.A; Chawla K.K. 2009].

Forma dos “Dimples”

Influência da direção da máxima tensão sobre a forma dos dimples.

Dimple

equiaxialTensão

central no C.P. equiaxial

Dimple

alongado

Dimple

alongado

central no C.P.

Tensão cisalhante

Tensão de Rasgamento

Forma dos “Dimples”

• Metais submetidos auma consideráveldeformação plásticadeformação plásticadesenvolvem grandesdimples que contémmarcas sobre as suasparedes.• Essas marcas sãochamadas de “SerpentineGlide”

Deslizamento tortuoso (seta) em um cobre de alta

condutividade. [ handbook 12]

Forma dos “Dimples”

• Essas marcas ocorremquando os planos dedeslizamento sobre os

Superfície da Fratura via deslizamento sobre osdimples são favoráveis amaioria das direções dastensões.

Superfície da Fratura via TEM liga de alumínio

7075 T6

Etapa de formação do deslizamento resultando em deformações tortuosas e ondulações nas paredes dos dimples.

Forma dos “Dimples”

Fratura de amostra sem deformação (usinado) Al –EC

(Mercês 2008)

Fratura de amostra sem deformação (usinado) Al – 0,05 %Cu; 0,15% Fe

(Mercês 2008)

Tamanho dos “Dimples”

O tamanho dos dimples éregido pelo número edistribuição de microcavidadesque são nucleadas.que são nucleadas.

• Dimples Grandes.

� Poucos locais de nucleação emuito espaçadas geramgrandes dimples.

Liga Al - 0,6% Mg 0,4%Si0,05 % Cu laminada a frioaté o diâmetro 3,98 mm[Bosco].

Tamanho dos “Dimples”

• Dimples pequenos.

� Inúmeros locais denucleação se ativam e asmicrocavidades adjacentescoalescem, antes que elestenham uma oportunidade decrescer, gerando pequenosdimples.

Liga Al - 0,6% Mg 0,4%Si0,05 % Cu laminada a frioaté o diâmetro 3,45 mm[Bosco].

Tamanho dos “Dimples”

Liga Al - 0,6% Mg 0,4%Si0,05 % Cu laminada a frioaté o diâmetro 3,45 mm[Bosco].

Liga Al - 0,6% Mg 0,4%Si0,05 % Cu laminada a frioaté o diâmetro 3,98 mm[Bosco].

Tamanho dos “Dimples”

Al- 0,5% Si; 0,05 %Cu; 0,32 %Fe Laminado frio diâmetro 4 mm.

Fratura e corte transversal.

Al- 0,5% Si; 0,05 %Cu; 0,32 %Fe Laminado frio diâmetro 2,7 mm.

Fratura e corte transversal.

Partículas de Segunda Fase

As Partículas de segunda fase são baseadas noseu modo de formação e na sua habilidade parase dissolver na matriz, e são divididas emse dissolver na matriz, e são divididas emquatro classes [Handbook 9]:

• Partículas Primárias.• Constituintes.• Dispersóides.• Precipitados.

Partículas de Segunda Fase

• Partículas Primárias.

Partículas primárias referem-sePartículas primárias referem-seà fase sólida que se separa apartir da fundição. Por exemplo,nas ligas de alumínio silício aspartículas de silício primárioformadas na fase L + Sihipereutética.

Partículas de Segunda Fase

• Constituintes

� Podem ser compostosintermetálicos ou cristaisintermetálicos ou cristaismetálicos.

� Podem ser virtualmentesolúveis ou insolúveis.

� Seu tamanho decresce como aumento da Taxa desolidificação.

Partículas de Segunda Fase

• Constituintes

Constituintes podem ser descritos como uma parte distinguivel de uma mistura polifasica[ Van Vlack 2002 ]

Partículas de Segunda Fase

• Dispersóides

� São partículas finas, constituinte� São partículas finas, constituintevisto apenas em algumas ligas.

� São virtualmente impossíveis dese dissolver completamente namatriz.

� Dispersóides não são tratáveistermicamente.

Imagem obtida via TEM campo escuro do

Al3(Sc,Zr)-dispersoidesem uma liga Al-Sc-Zr.

[Internet 1]

Partículas de Segunda Fase

• Dispersóides

� estabilizam a subestrutura� estabilizam a subestruturade deformação durante aexposição a elevadastemperaturas.

� Mn, Zr são típicoselementos formadores dedispersóides.

Partículas de Segunda Fase

• Precipitados

� Os precipitados podem� Os precipitados podemse formar durantealguma operação termalabaixo da solvus.

� Podem se dissolvertotalmente na matriz .

Precipitados de γ’ e carbonetos

envelhecidos em uma superliga[Meyers, M. A; Chawla K.K. 2009].

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

• Relações entre a partículade segunda fase e a matriz.

� Se as partículas de segundafase forem frágeis e a matrizdúctil, elas não suportaram adeformação e quebram noinicio da deformação.

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

• Relações entre a partículade segunda fase e a matriz.

� Caso a interface partícula/matriz esteja muito fraca,ocorrerá deslocamentointerfacial.

� Em ambos os casos,nucleiam-se microcavidadesnesses sítios.

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

Nucleação de grandes cavidades devidoNucleação de grandes cavidades devidoa clivagem das partículas.

Ligação das trincas através de pequenascavidades cisalhadas.

Ligação das grandes cavidades atravésde pequenas cavidades cisalhadas.

Esquema da extensão da trinca através da coalescência de microcavidades [Janssen M.et al.]

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

Observação via MEV Direta e técnica EBSD da liga Al-0,5% Si; 0,3%Fe;0,05% Cu; visualização das partículas de segunda fase através da diferença de

densidades.

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

Tamanho do dimpleesta diretamenteesta diretamenterelacionado com oespaçamento dainclusão, como podeser observado noestudo feito por Broek.

Relação entre tamanho de microcavidade e espaçamento de inclusão. Números representam as designações das ligas de alumínio. ( Reimpresso

por Hertzberg com permissão de D. Broek)

Efeito das Partículas de Segunda Fase na Fratura

Edelson e Baldwindemonstramconvincentemente que

Efeito da fração de volume de particulas de segunda fase na ductilidade [Hertzberg R. W.]

convincentemente quea ação das partículasde segunda fasereduzem a ductilidadeda liga[Hertzberg R. W.]

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

A aparência fractografica de produtos fundidos,as vezes é mais complexa e dificultosa paraanalise do que materiais trabalhados.analise do que materiais trabalhados.

Características microestruturais que afetamsignificamente a aparência da fratura, estãorelacionadas com as dendritas e solidificação(Porosidades, grãos colunares, e as posiçõesinterdendriticas relativamente grandes, fasessecundarias frágeis) [Handbook 11].

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

• A evolução do gás éresponsável por doisdefeitos de fundiçãodefeitos de fundição[ Stefanescus D. M.].:

• Macroporosidade

� Microporosidade“microshrinkage”

Porosidade mostrando dendrita liga A356 [Handbook 11]

Porosidade mostrando braço dendritico secundário liga A356

[Handbook 12]

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

• Macroporosidade

• A macroporosidade• A macroporosidaderesulta do gásrejeitado do liquidopreso na solidificaçãodo metal.[StefanescusD. M.].

Porosidade mostrando dendrita liga A356. 36x [Handbook 11]

Indica o cume emanando da porosidade. 13x [Handbook 11] Macroporosidade observada em uma liga Al-Mg-Si- Cu [Darci]

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

• Microporosidade

• Ocorre quando o metalliquido não pode alcançarliquido não pode alcançaráreas interdendriticas.

• A aparência damicroporosidade não éesférica, porem segue aforma da dendrita[Stefanescus D. M.].

Microporosidade Interdendriticano Al- Si (Piwonka 2000)

Microporosidade entre grãos eutéticos (Piwonka 2000)

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

Micrografia da fase α Micrografia da fase β

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

• A fase β é muito dura efrágil e tem baixa forçade ligação com a

Propagação da trinca ao longo do contorno entre a fase β “lâmina” e a matriz de alumínio.

de ligação com amatriz.

• Sugere pobre coesãono contorno dainterface. Como podeser visto nas setas.

Aparência da Fratura em Materiais Fundidos

• No caso da fase α atrinca se propagouatravés do composto

Propagação da trinca através da fase α.

através do compostoferro.

• Provável razão para omelhores propriedadesde resistênciaassociados com a faseα.

Bibliografia

• Mechanical Behaviour of Material ; Marc Andre Meyers, Krishnan Kumar Chawla.

• Fracture mechanics by Michael Janssen, Jan • Fracture mechanics by Michael Janssen, Jan Suidema, Russel Wanhill.

• Mechanical Metallurgy by George.E.Dieter

• Handbook 9 Metallography and Microstruture2004

Bibliografia

• Handbook 11 Failure Analyses and Prevention

• Handbook 12 Fractography 2004

• Seminar on Brittle and Ductile Fracture. ChetanPurushottam Bhat.

Bibliografia

Internet.

www.sintef.no/.../dispersoids.htm