Características Microscópicas

Nesta secção pretende-se abordar o tópico da microfratografia, que se refere às características microscópicas. É importante referir que a identificação macroscópica, referida até ao momento, de uma fratura por fadiga, pode ficar comprometida caso não sejam evidentes

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certas características como as linhas de paragem. A microscopia eletrónica de varrimento (SEM – scanning electron microscopy) tem sido utilizada para revelar novas características das superfícies de fratura por fadiga que tornam possível a sua caracterização, mesmo se não existirem marcas macroscópicas. Com o auxílio do SEM, foi possível identificar uma característica comum a muitas fendas de fadiga, principalmente aquelas que se desenvolvem em planos a 90º relativamente à carga aplicada – as estrias. Verificou-se que uma marca macroscópica do tipo linha de paragem podia conter milhares de estrias, sendo que cada uma destas estrias é produzida por um ciclo de carga. No entanto, nem todos os ciclos produzem necessariamente uma estria. As estrias são mais facilmente encontradas em ligas de alumínio do que em aços. Na Figura 47 é possível observar duas fractografias onde são visíveis estrias de superfícies de fadiga num provete C (T) de aço S355 com uma fenda que se propaga na região termicamente afetada, quando sujeito a ensaios de fadiga com uma razão de tensão (R) de 0.1. Na Figura 47 (a) é apresentado um exemplo de medição do espaçamento entre estrias. A Figura 47 (b) corresponde à zona da fratura final onde é evidenciada uma rotura típica dúctil [43]. De notar que a designação C (T) é uma designação normalizada para provetes utilizados em estudos de mecânica da fratura. É o tipo de provete utilizado para determinar o valor de KIC de acordo com a norma ASTM E647 e apresenta-se na Figura 48 um exemplo destes provetes [43].

Figura 47: Fractografias de uma superfície de fratura de um provete C (T) de aço S355 com uma fenda que se propaga na região termicamente afetada, quando sujeito a ensaios de fadiga com uma razão de tensão (R)

de 0.1: (a) exemplo de medição do espaçamento entre estrias; (b) zona da fratura final onde é evidenciado uma rotura típica dúctil [43].

Figura 48: Provete compacto C (T) com as dimensões e tolerâncias normalizadas [38].

A fractografia é uma técnica utilizada para descrever a topografia da superfície de fratura com o intuito de avaliar as causas e mecanismos de fratura ocorrida. O registo da topografia pode ser feito a nível macroscópico (praticamente por observação simples) ou microscópico (utilizando o SEM). A observação do aspeto visual da fratura permite, na maioria das vezes, identificar o mecanismo de falha ocorrido. Cada tipo de fratura possui uma determinada morfologia específica a nível estrutural que a diferencia das restantes [49].

O procedimento para medição da distância entre as estrias, designada por s, em fotografias obtidas por microscopia eletrónica, consiste em identificar um ou mais segmentos de reta, na direção perpendicular às estrias, e dividir o comprimento do segmento considerado pelo número de estrias identificada, tal como observado na Figura 47 (a) e como indicado na equação seguinte [43]:

𝑠 = 𝑙

𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑠

(38)

É importante notar que embora a presença de estrias na superfície de fratura constitua uma prova irrefutável de uma fenda de fadiga, pode verificar-se o crescimento de fendas de

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fadiga sem formação de estrias. A formação de uma estria é composta por uma extensão da fenda durante o carregamento seguida da definição da estria por deformação plástica e alongamento durante a fase de descarregamento, tal como é possível observar na Figura 49 e de acordo com o modelo de Pelloux [43]:

Figura 49: Representação esquemática da formação de estrias do tipo dente de serra, sendo que o avanço apenas ocorre durante o crescimento da carga [43].

Uma superfície de fadiga pode não apresentar quaisquer estrias como pode apresentar estrias dúcteis e/ou frágeis, como ainda pode apresentar outras morfologias como facetas de clivagem. Na fase I, referido na Secção 2.2.10.1, existem pequenas velocidades de propagação e, quando a propagação da fenda segue um processo de deslizamento, segundo os planos de máxima tensão de corte, não se verifica a formação de estrias. Quando o processo de estriação ocorre nos aços de alta resistência, o processo é mal definido e de difícil observação. A fase II de propagação é geralmente acompanhado de formação de estrias do tipo dúctil ou frágil ou, em alguns casos, podem coexistir os dois tipos. As estrias do tipo dúctil estão presentes na maior parte dos materiais dúcteis e caraterizam-se pela formação de duas superfícies conjugadas simétricas, tal como indicado na Figura 50. As estrias do tipo frágil são produzidas em certos materiais de elevada dureza, por clivagem (forma através da qual os materiais se fragmentam ao longo de planos bem definidos) na extremidade da fenda seguida de uma relaxação plástica à medida que a concentração de tensões aumenta [50].

Figura 50: Esquema da morfologia das estrias do tipo dúctil [50].

Quando a velocidade de fissuração é muito elevada, os processos de descoesão estática, como é a clivagem, são preferenciais à formação de estrias. No caso dos aços, a formação de estrias está limitada a um domínio de velocidade de propagação da ordem dos 10-5 mm/ciclo, e no caso das ligas de alumínio, a 10-3 mm/ciclo. Para valores inferiores ao referido, coexistem zonas com estriação e zonas sem estriação, sendo que mesmo nestas condições, a formação das estrias está dependente de outros fatores como a orientação dos planos cristalográficos, o meio, a frequência da solicitação, entre outros [50].