Critérios para Determinação da Temperatura de Transição

Para efeito prático de projeto, o conhecimento da temperatura de transição é essencial, pois a partir dela pode-se planejar as condições de serviço de forma a não ocorrer fratura frágil do componente projetado, por exemplo, a determinação da temperatura de transição para a tubulação que irá transportar óleo e gás natural sob altas pressões por grandes distâncias requer ensaio de Charpy (SHIN, 2006).

Existem vários critérios para estabelecer a temperatura de transição para um material. O critério mais simples e mais seguro é estabelecer a temperatura do patamar superior da curva de energia, com 100% de fratura fibrosa (ausência de clivagem). Este é o ponto representado por T1 na Figura 3.16. O critério é denominado FTP (Fracture Transition Plastic) ou transição para fratura plástica. Este critério usa uma larga margem de segurança o que o torna impraticável para muitas aplicações (página CIMM, Internet, 2007).

Figura 3.16: Critérios de temperatura de transição obtidos por ensaio Charpy (adaptada de SOUZA, 1982).

Um critério menos rígido define a temperatura de transição, T2, para 50% de fratura dúctil (ou frágil). A temperatura T2 é denominada temperatura de transição de aparência de fratura FATT (Fracture Appearance Transition Temperature). Observações têm mostrado que para níveis de fratura por clivagem menores que 70%, a probabilidade da falha ocorrer em temperaturas iguais ou superiores a FATT é muito pequena, para tensões não superiores à metade do valor de escoamento (SOUZA, 1982).

Uma outra aproximação para a temperatura de transição T3 é a média entre os valores do patamar superior e inferior (SOUZA, 1982).

Outro critério é a temperatura de transição de ductilidade T4 associada com um valor arbitrário de energia absorvida CV (ver Figura 3.16), estabelecido com base

na experiência de ensaios Charpy. Por exemplo, este valor de energia foi fixado em 2,1 kgf.m para aços de baixa resistência, com base em inúmeros testes realizados com chapas para navios durante a Segunda Guerra. Isto significava que a fratura frágil não começaria se a energia absorvida tivesse o citado valor, na temperatura de ensaio. A temperatura de transição correspondente é um critério aceitável, entretanto o valor da energia especificado no exemplo não tem significado para outros materiais (SOUZA, 1982).

Por último, um critério mais acurado é fixar a temperatura de transição, T5, como sendo aquela na qual a fratura ocorre 100% por clivagem. Esta referência é conhecida como a temperatura de ductilidade nula NDT (Nil Ductility Temperature). Este ponto corresponde ao início de fratura praticamente sem nenhuma deformação plástica prévia. A probabilidade de fratura dúctil abaixo desta temperatura é zero (SOUZA, 1982).

Apesar de vários fatores influenciarem o modo de fratura dos materiais, a temperatura é um dos fatores que têm grande influência. Para materiais puros, a transição dúctil-frágil deve ocorrer a uma temperatura determinada. Porém para muitos materiais essa transição ocorre em uma ampla faixa de temperaturas e depende da composição específica de cada material.

O comportamento dúctil dos materiais vem acompanhado de deformação plástica e absorção de energia. A capacidade de absorver energia durante a deformação depende de sua estrutura interna. No caso dos materiais metálicos e suas ligas, o fluxo plástico que possibilita sua deformação é conseqüência do movimento das discordâncias. Este movimento por sua vez está relacionado com o número de sistemas de escorregamento que se encontram ativos a uma dada temperatura. É por

isso que a combinação temperatura – tipo de estrutura cristalina, determina a faixa de temperaturas que poderá ocorrer a transição dúctil-frágil. A Figura 3.17 mostra que a fratura é dúctil nas bordas e frágil no centro (ORTEGA, 2006).

Figura 3.17: Representação da fratura obtida após ensaio de Charpy (adaptada de ORTEGA, 2006).

O ensaio de impacto é bastante utilizado pela indústria naval e bélica, e principalmente nas estruturas que deverão suportar baixas temperaturas.

Três fatores contribuem para o surgimento da fratura frágil em materiais que são normalmente dúcteis à temperatura ambiente:

• Alta concentração de tensões (estado triaxial de tensões);

• baixa temperatura e

• velocidade de deformação elevada.

Esses três fatores não precisam atuar necessariamente ao mesmo tempo para produzir fratura frágil. Seu estado triaxial de tensão que ocorre em trincas, entalhes, fendas internas ou grande variação de geometria juntamente com baixas

temperaturas foram responsáveis por muitas situações de fratura frágil em serviço. Portanto, aços com alta temperatura de transição são mais prováveis de se comportarem como frágeis durante a fabricação ou em serviço. Desta forma, os aços com baixa temperatura de transição são mais prováveis de se comportarem como dúcteis. Este é o motivo pelo qual os aços de baixa temperatura de transição são preferidos para serviços que envolvam severas concentrações de tensões, carregamento de impacto, baixas temperaturas ou a combinação das três (HERTZBERG, 1989, apud SANTANA, 2004).

Landes (1995) afirma que para o projeto de estruturas e componentes é conveniente trabalhar no patamar superior, em que o comportamento do material será totalmente dúctil e assim pode-se aceitar a existência de trincas. Na maioria das vezes a falha da estrutura dá-se não por um evento frágil, mas sim por evento dúctil, precedido de crescimento estável das trincas existentes.

Hausild (2002) constatou em seus experimentos que a forma de fratura por clivagem é observada macroscopicamente nos tipos de fratura frágil, levando a baixos valores de tenacidade e/ou energia de impacto, tendo pouca evidência de deformação plástica. Porém, microscopicamente esta fratura é induzida por carbonetos duros, ou por algum mecanismo de discordância, e por esta razão a deformação plástica ocorre somente localmente através de um gatilho de clivagem. Por outro lado, a fratura por “dimples” é comumente assumida em fraturas dúcteis, levando a altos valores de tenacidade e/ou energia de impacto, e uma grande deformação. A deformação plástica é necessária para ambos para o crescimento dos grãos e coalescimento dos alvéolos criados pela fratura por “dimples”, mas a deformação plástica pode estar localmente confinada e uma pequena manifestação de ductilidade aparece em escala macroscópica. Isto mostra que macroscópica e microscopicamente as fraturas são semelhantes, mas não necessariamente idênticas.

Pode-se observar na Figura 3.18 que a fratura teve início em uma pequena inclusão no centro da fotomicrografia.

Figura 3.18: Inclusão localizada no centro da fratura (adaptada de HAUSILD e colaboradores, 2002).