Fundamentos da Fratura

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133 UNIDADE 5

errada de materiais para um determinado projeto, a projetos mal elaborados ou, ainda, a má utiliza- ção de um componente. Além disso, os componentes estruturais de um projeto podem sofrer danos durante a operação, que comprometam a sua integridade, por essa razão, é importante a inspeção regular e o reparo ou substituição desses componentes para a segurança do projeto.

Como engenheiros, somos responsáveis pela segurança durante toda a vida útil de um projeto;

sendo assim, devemos antecipar e considerar as possíveis falhas que possam ocorrer e, caso ocor- ram, devemos avaliar a sua causa e tomar as devidas medidas de prevenção contra futuros incidentes.

Fundamentos da Fratura

A fratura de um material consiste na separação de um corpo em duas ou mais partes como resultado da aplicação de uma tensão contínua e de intensidade constante, ou por uma tensão contínua com uma intensidade que varia lentamente ao longo do tempo. Além disso, a fratura pode ser resultado, também, da fadiga do material, ou da fluência, ambos serão estudados ainda nesta unidade.

Apesar das tensões de tração, compressão, cisalhamento e as torções serem capazes de originar fraturas, concentraremos nossos estudos apenas nas fraturas que ocorrem devido a tensões de tra- ção que atuam em apenas um eixo (uniaxiais).

Dois modos de fraturas são possíveis nessas con- dições: a fratura dúctil e a fratura frágil. Na fratura frágil, o material sofre pouca ou nenhuma deforma- ção plástica antes de romper. Já na fratura dúctil, há uma deformação plástica significativa unida a uma grande absorção de energia antes da fratura.

Os processos de fratura envolvem duas etapas:

uma etapa de formação de trincas no material e outra etapa de propagação dessas trincas. Ambas as etapas resultam da aplicação de uma tensão so-

bre o material, e o tipo de fratura está fortemente relacionado com o mecanismo de propagação das trincas.

Na fratura dúctil, é observada uma grande deformação plástica na região de propagação de uma trinca, que prossegue lentamente conforme o comprimento da trinca aumenta. Ela é, muitas vezes, chamada de estável, pois resiste a qualquer aumento adicional, desde que não seja aumentada a tensão.

Na fratura frágil, por outro lado, a propagação das trincas ocorre rapidamente e com pouca ou nenhuma deformação plástica. Além disso, após formadas as trincas, elas se propagam continuamente mesmo que a tensão não seja aumentada.

Portanto, as fraturas dúcteis são preferíveis em relação às fraturas frágeis, pois uma fratura frá- gil ocorre repentinamente, sem sinais de aviso, e quase sempre seus resultados são catastróficos, ao passo que nas fraturas dúcteis a deformação plástica observada serve de alerta para uma pos- sível fratura, permitindo que medidas preventivas sejam tomadas.

Os materiais que sofrem fratura dúctil sob a ação de uma tensão de tração são os metais e suas ligas. As cerâmicas são materiais tipicamente frágeis, e os polímeros podem apresentar vários comportamentos durante a fratura (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013).

Fratura Dúctil

Quando tratamos de fraturas dúcteis, existem dois perfis macroscópicos para a superfície do material fraturado, ambos apresentados na Figura 1. Materiais extremamente dúcteis, por exemplo metais puros, como o ouro e o chumbo, apresentam no pescoço uma diminuição da área de seção transversal de até 100%, alcançando uma fratura pontual, como podemos ver na Figura 1(a).

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134 Falhas em Materiais Sólidos

A Figura 1(b) apresenta o perfil mais comum de fratura dúctil, na qual uma quantidade moderada de empescoçamento é observada antes da fratura. Durante o início do processo de empescoçamento, várias cavidades se formam na seção transversal. Na sequência, essas cavidades aumentam de tamanho e se encontram umas com as outras, formando uma trinca elíptica, cujo maior raio é perpendicular à direção de atuação da tensão. A trinca continua crescendo conforme novas cavidades a alcançam e, por fim, a fratura ocorre pela propagação da trinca ao redor do perímetro externo do pescoço.

(a) (b) (c)

Figura 1 - Representação do comportamento macroscópico de um material sob fratura

Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013, p. 202).

Para um melhor detalhamento sobre o mecanismo de fratura de um material, deve-se recorrer a análises fractográficas, utilizando um microscópio eletrônico de varredura, nas quais é possível obter as particularidades topográficas das superfícies de fratura.

Fratura Frágil

Como foi mencionado anteriormente, a fratura frágil ocorre sem uma deformação plástica considerável do material; além disso, ela ocorre pela rápida propagação de uma trinca. O aumento da trinca é praticamente perpendicular à direção da tensão aplicada, e a super-

fície produzida na fratura frágil é relativamente plana, como podemos observar na Figura 1(c), na qual não há nenhuma defor- mação plástica apreciável nem empescoçamento.

Na maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação da trinca é resultado da quebra sucessiva e repetida de ligações atômicas ao longo dos planos cristalográficos no pescoço do material; a esse processo dá-se o nome de clivagem. Como as trincas da fratura passam por meio dos grãos que formam o material, essa fratura é chamada de trans- granular ou transcristalina.

Em outros materiais, a pro- pagação das trincas ocorre ao longo dos contornos de grãos, e esse processo recebe o nome de intergranular e acontece, geralmente, com materiais que sofreram algum processo que causou a baixa da resistência ou a fragilização das regiões dos contornos de grão.

Na temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas quanto as não cristalinas, quase sempre fraturam antes de sofrer qualquer deformação plástica (fratura frágil) quando subme- tidas a uma tensão de tração.

Os polímeros termofixos, no geral, também sofrem fratura frágil, e sua resistência à fratura é menor em relação aos materiais cerâmicos e metálicos. Já nos polímeros termoplásticos, é

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135 UNIDADE 5

possível a ocorrência de fratura dúctil e também de fratura frágil. Alguns fatores que favorecem a fratura frágil nos polímeros termoplásticos são a redução da temperatura, aumento da taxa de deformação, pre- sença de entalhe afilado e modificações que aumentam a temperatura de transição vítrea do polímero (CALLISTER, JR.; RETHWISCH, 2012).

A fratura frágil é tão perigosa que, certa vez, um navio-tanque fraturou ao meio como resultado da ação da turbulência do mar sobre um pequeno entalhe no casco do navio. As tensões causadas pela turbulência do mar foram amplificadas nas extremidades desse entalhe, o que gerou uma pequena trinca que foi propagada rapidamente pelo casco e resultou na fratura completa do navio ao meio.

Fonte: adaptado Callister Jr. e Rethwisch (2013).

Mecânica da Fratura

A necessidade de compreender o mecanismo da fratura, para que se possa prever falhas e evitar aci- dentes, é a motivação do campo da ciência dos materiais, denominado mecânica da fratura, que é o campo que trata do comportamento dos materiais que contêm trincas, pequenos poros ou microtrincas. Apesar dessas imperfeições estarem presentes nos materiais utilizados em engenharia, isso não impede a utilização desses materiais. Vale salientar que as imperfeições mencionadas não se referem aos defeitos dos materiais, como lacunas, discordâncias etc.

A partir da mecânica da fratura, é possível quantificar as relações entre as propriedades dos materiais, níveis de tensão, presença de imperfeições que possam gerar trincas e entender os mecanismos pelos quais elas se propagam. Então, durante o planejamento e execução de um projeto, seremos capazes de antecipar e, dessa forma, prevenir falhas estruturais. Neste tópico, aprenderemos a calcular a tensão máxima que um material pode suportar caso ele tenha imperfeições de tamanho e geometria conhecidas (ASKELAND;

WRIGHT, 2015).

Concentração de tensões

Quando trabalhamos com materiais, podemos observar que a resistência à fratura teórica calculada é sempre maior do que a resistência à fratura medida efetivamente (real). Isso se deve ao fato de que, na superfície e no interior de todos os materiais, existem cavidades ou trincas microscópicas, e elas contribuem para a diminuição da resistência à fratura do material, visto que uma tensão aplicada sobre esse material pode acabar amplificada ou mesmo se concentrando na extremidade delas.

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Esses defeitos (microcavidades e microtrincas) são, muitas vezes, chamados de concentradores de tensão, já que são capazes de amplificar uma ten- são aplicada sobre eles. Contudo, a amplificação de tensões não acontece somente nesses defeitos microscópicos, ela também ocorre em desconti- nuidades internas do material, como vazios ou inclusões, em fendas, entalhes, arranhões etc.

O efeito de um concentrador de tensões é mais efetivo em materiais frágeis do que nos materiais dúcteis, pois em materiais dúcteis, a deformação plástica começa apenas quando o limite de escoamento é ultrapassado, ocasionando uma distribui- ção de tensões mais uniforme na vizinhança do concentrador de tensões, diminuindo o efeito dos concentradores de tensão em materiais dúcteis. Esse efeito não ocorre em materiais frágeis em nenhuma extensão apreciável; por essa razão, os concentradores de tensão têm uma maior influência nos materiais frágeis (ASKELAND; WRIGHT, 2015).

Tenacidade à fratura

A tenacidade à fratura é uma propriedade que mede a resistência de um material a uma fratura quando uma trinca está presente. Ela é calculada pela relação

K_c =Yσ_c πa

na qual K_c é a tenacidade à fratura; Y é um fator geométrico que depende do tamanho, da geometria e da localização da trinca em relação à super- fície do material; σc é a tensão crítica necessária para a propagação de uma trinca; e α é o tamanho da trinca, que é a metade do diâmetro maior da trinca, como podemos observar na Figura 2. As unidade de K_c são ^{MPa/ m}; Y é adimensional;

e α possui unidade de m no SI.

Na Figura 2, podemos verificar uma placa plana com uma trinca no seu interior e uma trinca na sua superfície.

σ

Figura 2 - Representação dos parâmetros de trincas em um material.

Fonte: o autor.

O fator geométrico Y vale 1,0 para o caso do material ser uma placa plana contendo trincas de comprimentos muito menores que a largura da placa. Já para o caso de uma trinca localiza- da na borda (superfície) da placa, o valor de Y é aproximadamente 1,1. Além disso, existem várias fórmulas complexas para o cálculo do fator geo- métrico Y, que dependem da geometria da trinca e do material em questão, contudo não vamos nos aprofundar nesse assunto.

Para o caso particular de placas cuja espessura é muito maior que as dimensões da trinca, o pa- râmetro K_cé independente da espessura da placa;

essa condição recebe o nome de deformação plana. Nesse caso, quando uma tensão atua em uma trinca, da forma como está representado na Figura

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137 UNIDADE 5

2, não existe nenhum componente de deformação perpendicular às faces, posterior e anterior da placa, e o valor de Kc é conhecido como tenacidade à fratura em deformação plana, representado por K_Ic e calculado por:

K_Ic =Yσ πa

O subscrito I (“um” em algarismos romanos) indica que o modo de deslocamento da trinca é de abertura ou tração (Figura 3(a)). Além desse modo de deslocamento, existe o deslocamento II, modo de cisalhamento (Figura 3(b)), e o deslocamento III, modo de rasga- mento (Figura 3(c)).

Os valores de K_Ic são baixos para materiais frágeis, uma vez que eles não apresentam uma deformação plástica apreciável frente a uma trinca em propagação e, por essa razão, eles são mais suscetí- veis a falhas catastróficas. Em contrapartida, os materiais dúcteis apresentam valores de K_Ic relativamente grandes. A mecânica da fratura é especialmente importante para prever falhas catastróficas em casos em que o material possui uma ductilidade intermediária.

Os valores de tenacidade à fratura em deformação plana para alguns materiais são apresentados na Tabela 1.

(a)

(b)

(c)

Figura 3 - Tipos de deslocamento da superfície de uma trinca Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013, p. 209).

Tabela 1 - Dados de tenacidade à fratura em deformação plana e limite de escoamento para alguns materiais à temperatura ambiente

Material K_Ic Limite de escoamento

Liga de alumínio (7075-T651) 24 495

Liga de alumínio (2024-T3) 44 345

Liga de titânio (Ti-6Al-4V) 55 910

Aço-liga (4340 revenido a 260°C) 50,0 1640

Aço-liga (4340 revenido a 425°C) 87,4 1420

Concreto 0,2-1,4 -

Vidro a base de cal e soda 0,7-0,8 -

Óxido de alumínio 2,7-5,0 -

Poliestireno (PS) 0,7-1,1 25,0-69,0

Poli(metil metacrilato) (PMMA) 0,7-1,6 53,8-73,1

Policarbonato (PC) 2,2 62,1

Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).

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A tenacidade à fratura em deformação plana, K_Ic, é um parâmetro fundamental dos materiais, especialmente em projetos estruturais, e ela depende de muitos fatores, dentre eles, os de maior influência são a temperatura, a taxa de deforma- ção e a microestrutura do material.

O valor de K_Ic:

• Diminui com a diminuição da tempe- ratura.

• Diminui com o aumento da taxa de de- formação.

• Aumenta com a diminuição do tamanho dos grãos que formam o material, desde que as demais propriedades microestruturais sejam mantidas constantes.

De acordo com o que vimos até agora sobre a mecânica da fratura, pudemos perceber que a tenacidade à fratura (K_c) ou tenacidade à fratura em deformação plana (KIc), a tensão aplicada (σ) e o tamanho da trinca (α) são variáveis fundamentais para projetos estruturais.

Então, assumindo que o valor de Y já tenha sido determinado, é importante definir quais das variáveis apresentam restrições à sua aplicação e quais serão controladas pelo projeto. Por exemplo, os valores de KIc (ou K_c) dependem dos materiais selecionados para o projeto que, por sua vez, são escolhidos de acordo com fatores, como a massa específica, para aplicações que exigem baixo peso;

e resistência à corrosão, para situações em que o material ficará exposto a um ambiente severo etc.

Além disso, o tamanho da trinca, α, do material a ser estipulado ou medido.

Nessa situação, na qual dois parâmetros são definidos, como os valores de KIc e α, o terceiro parâmetro, nesse caso a tensão aplicada σ, é de- pendente deles e obtido das equações

K_Ic =Yσ πa

Então, isolando-se o parâmetro que deve ser calculado, nesse caso a tensão aplicada σ, obtemos

σ

π

= K Y a

Ic

Seguindo o mesmo raciocínio, se a tensão aplicada σ e a tenacidade à fratura em deformação plana KIc forem definidos no projeto, o tamanho máximo da trinca admissível para esse projeto pode ser calculada pela relação

a K

Y

Ic

1 ²

π σ

Devido à importância do estudo sobre fraturas, principalmente na manutenção de equipamen- tos já em serviço, muitas técnicas não destrutivas de avaliação de defeitos (trincas), tanto internos quanto superficiais, foram desenvolvidas. A partir delas, é possível analisar componentes estruturais que estão em serviço, na busca por defeitos que possam ocasionar uma falha prematura. Algumas dessas técnicas devem ser realizadas em laborató- rio, contudo, muitas delas podem ser conduzidas no próprio ambiente em que o componente en- contra-se operando.

A seguir, vamos ver um exemplo da aplicação da equação da tenacidade à fratura em deforma- ção plana para a determinação do tamanho má- ximo da trinca para que o material não frature (CALLISTER JR.; RETHWISCH, 2013; SHAC- KELFORD, 2013).

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141 UNIDADE 5

bração, dilatação térmica (veremos em outra unidade) etc. Geralmente, essas tensões estão abaixo do limite de escoamento do material, porém quando se repetem um número de vezes suficiente, elas são capazes de causar a fratura do material por fadiga (BEER; JOHNSTON JR., 2009).

A falha por fadiga ocorre em três etapas. Na primeira etapa, surge uma pequena trinca na superfície do material após um longo período de aplicação da tensão. Elas surgem em locais de descontinuidade da superfície, como entalhes ou poros e, até mesmo, em contornos de grãos.

Na segunda etapa, essas trincas começam a se propagar gradualmente, a cada novo carregamento ao qual o componente é submetido. Por fim, na terceira etapa, ocorre a fratura súbita do componente quando a seção resistente está muito reduzida para suportar mais um carregamento do ciclo. Dessa forma, os componentes podem fraturar por fadiga, pois mesmo que a tensão total aplicada não supere o limite de escoamento do material, essa tensão pode superar pontualmente a resistência à tração do material devido à con- centração de tensões.

O fenômeno da fadiga é mais comum em materiais metálicos e poliméricos. Entretanto, o mecanismo de fadiga nos polímeros difere do mecanismo de fadiga observado nos metais, pois à medida que os polímeros são submetidos a ten- sões cíclicas, eles experimentam um aquecimento nas pontas das trincas, e esse aquecimento esti- mula a ocorrência de outro fenômeno conhecido como fluência, que veremos adiante.

A fadiga é praticamente desconsiderada nos materiais cerâmicos, uma vez que esses materiais, geralmente, falham em decorrência da sua baixa

tenacidade à fratura. Por essa razão, as cerâmicas são, normalmente, projetadas para suportar car- gas estáticas, e não cíclicas.

Tensões Cíclicas

As tensões aplicadas podem ser de natureza axial (tração ou compressão), de torção ou de flexão (do- bramento). Além disso, existem, basicamente, três tipos de ciclos de tensão aos quais um componente pode estar sujeito. Na Figura 4, são apresentadas as curvas de tensão de tração/compressão por tempo para cada um dos três tipos de ciclos de tensão.

Na Figura 4(a), vemos o ciclo de tensões al- ternadas, cuja representação segue uma função senoidal.

Nesse tipo de ciclo, as tensões máximas, por exemplo, um tracionamento, e mínimas, como uma compressão, são iguais em magnitude; além disso, elas se alternam uniforme e repetidamente, formando ciclos de tensões alternadas. Grafi- camente, observamos esse comportamento em curvas de tensão por tempo, cujas amplitudes de máximo e mínimo são simétricas em relação ao nível zero de tensão.

Uma situação semelhante é visualizada na Fi- gura 4(b), na qual temos um ciclo de tensões repetidas; nesse caso, as tensões máximas e mí- nimas se alternam uniforme e repetidamente, mas suas magnitudes não são iguais. Portanto, são formados ciclos cuja tensão de tração tem uma magnitude diferente da tensão de compres- são. Esse tipo de ciclo é identificado como uma curva cujas amplitudes máximas e mínimas são assimétricas em relação ao zero de tensão.

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σ

0

σ

Tempo (a) Tensão CompressãoTração +-

σ

0

Tempo (b) Tensão CompressãoTração +-

Tempo (c) Tensão CompressãoTração +-

σ

Figura 4 - Gráficos das curvas de tensão por tempo Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013, p. 219).

Por fim, na Figura 4(c), podemos ver o último tipo de ciclo que é o ciclo de tensões aleatórias; neste podemos ver que as tensões de máximo e mínimo variam de forma não regular o tempo todo a cada ciclo, não mantendo padrão algum. O estudo desse tipo de ciclo é complexo devido ao seu caráter totalmente aleatório.

Especificamente para o ciclo de tensões repetidas (Figura 4(b)), alguns parâmetros são definidos: o primeiro deles é a tensão média σm que é a média entre a tensão máxima, smáx, e a tensão mínima,

smín, do ciclo.

s s s

m

máx mín

2

Além disso, temos o intervalo de tensões, simbolizado por σi, que é a diferença entre a tensão má- xima e a tensão mínima, ou seja

si smáxsmín

A amplitude de tensão, σa, que equivale à metade do intervalo de tensões σi.

s s s s

a

i máx mín

2 2

E, por fim, temos a razão de ten- sões, R, definida como a razão entre as tensões máxima e mínima.

R ^máx

mín

=s s

Por convenção, as tensões de tração são sempre positivas, e as tensões de compressão são sempre negativas, o que resulta em uma razão de tensões R = -1 para ciclos de tensões alternadas.

Ensaio de fadiga

A resistência à fadiga, assim como outras propriedades me- cânicas, pode ser determinada a partir de ensaios de laboratório, nos quais o aparato de laborató- rio utilizado simula as condições de tensão em serviço nas quais o componente será submetido quando estiver em operação.

A avaliação do material consiste em uma série de ensaios

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143 UNIDADE 5

em que um corpo de teste, feito do material que se deseja avaliar, é submetido a um ciclo de tensões, com uma amplitude máxima de tensão (σ_máx), geralmente, na ordem de dois terços do limite de resistência à tração do material, até que esse corpo de prova falhe, então, o número de ciclos para a falha é contado.

Esse processo de avaliação é repetido utilizando-se outros corpos de prova idênticos e aplicando-se uma amplitude máxima de tensão gradativamente menor, novamente contando a quantidade de ciclos até a falha. Com os dados de tensão e do número de ciclos até a falha obtidos nos ensaios, são plotadas as curvas, conhecidas como curvas S-N, para o material. Nessas curvas S-N, o S é a tensão; geralmente utiliza-se o valor da amplitude de tensão σa (podendo, em algumas situações, ser utilizadas as tensões máximas σmáx ou mínimas σmín), e o N é o logaritmo do número de ciclos até a falha do material.

As curvas S-N indicam que quanto maior a magnitude da ten- são, menor é o número de ciclos que o material suportará antes de fraturar. Na Figura 4, estão representados dois tipos comuns de comportamento para as curvas S-N.

O primeiro tipo de comportamento é de um material que apresenta um limite de resistência à fadiga (Figura 5(a)). Para esses materiais, existe uma tensão limite, denominada limite de resistência à fadiga, e para tensões abaixo desse valor, a falha por fadiga do material não acontecerá, mesmo após um número, praticamente, in- finito de ciclos. Acima desse limite, o número de ciclos antes da falha (vida em fadiga) diminui com o aumento da magnitude da tensão.

Já na Figura 5(b), vemos o comportamento de um material que não possui um limite de resistência à fadiga, ou seja, independen- temente da magnitude do ciclo de tensão, após um determinado intervalo de tempo, ocorrerá a falha por fadiga do material. Nesse caso, conforme a amplitude de tensão aumenta, o número de ciclos do material até a falha diminui, e para esses materiais, definimos a resistência à fadiga, Sf, que é o nível de tensão no qual a falha do componente ocorrerá quando alcançar um número de ciclos especí- ficos. Além disso, podemos também caracterizar a vida em fadiga, Nf, de um material, que é o número de ciclos que o material suportará até a sua falha, quando submetido a um certo nível de tensão.

Ainda na Figura 5(b), observamos dois pontos na curva S-N, para o primeiro ponto dizemos que a resistência à fadiga do material em N1 ciclos é igual a S1, e para o segundo ponto dizemos que a vida em fadiga do material sob uma tensão de S2 é igual a N2 (CALLISTER, JR.; RETHWISCH, 2012; SHACKELFORD, 2013).

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Normalmente, na literatura, as curvas S-N são valores médios, pois a dispersão de dados em ensaios de fadiga é muito grande. Para corpos de prova idênticos sob o mesmo nível de tensão, os valores de N podem variar amplamente, devido a vários fatores, como a fabricação do corpo de teste, variáveis metalúrgicas, alinhamento do corpo de prova no equipamento de teste, entre outros. Por essa razão, são utilizados dados médios para as curvas S-N.

10³ Limite de resistência à

fadiga

Ciclos até a falha, N (a)

Amplitude de tensão, S

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰ 10³ S1

S2

N2

N1

Ciclos até a falha, N (b)

Amplitude de tensão, S

10⁴ 10⁵ 10⁶ 10⁷ 10⁸ 10⁹ 10¹⁰

Figura 5 - Representação dos dois tipos de curvas S-N Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).

Efeitos do Ambiente

O ambiente ao qual o componente está inserido influencia na vida em fadiga desse material. Nesse âmbito, temos a chamada fadiga térmica, que é ocasionada por tensões oriundas de variações térmicas no ambiente ao qual o componente está inserido. Essas tensões são o resultado de restri- ções às expansões e contrações que o componente deveria sofrer quando submetido a variações na temperatura, relacionadas ao coeficiente de ex- pansão térmica α_l do material. A tensão térmica

sT, ocasionada por uma variação de temperatura

∆T, pode ser calculada pela relação a seguir σ_T α_lE T

Uma maneira de se evitar a fadiga térmica é eli- minar as restrições que possam existir à dilatação térmica do material; dessa forma, o material pode- rá sofrer expansões e/ou contrações sem que nada impeça esse movimento. Veremos mais sobre esse assunto na Unidade 7.

Outra falha muito comum que pode ocorrer relacionada ao ambiente é a fadiga associada à corrosão, que é uma falha resultante da ação de uma tensão cíclica aliada a um ataque químico.

Componentes expostos a ambientes corrosivos acabam tendo suas vidas em fadiga reduzidas, pois esses ambientes favorecem a formação de pequenos furos no componente devido a reações químicas que acontecem entre o ambiente e o material. Esses furos, por sua vez, terão o papel de concentradores de tensões e, por consequência, formarão trincas.

Além disso, o contato da trinca com o ambiente corrosivo favorece sua propagação, diminuindo ainda mais a vida em fadiga desses componentes.

A fadiga associada à corrosão pode ser preve- nida por diversas técnicas, entre elas com o uso de revestimentos de proteção na superfície do componente, seleção de materiais mais resistentes à corrosão e, em alguns casos, até mesmo diminuir a corrosividade do ambiente.

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A Figura 6 mostra o comportamento de um metal em fluên- cia. Primeiramente, é observada uma deformação instantânea, totalmente elástica, do material, causada no instante inicial de aplicação da carga. Em seguida, inicia-se o fenômeno da fluência, cujo primeiro estágio, conhecido como fluência primária ou tran- siente, é caracterizado por uma diminuição na taxa de deforma- ção, ou seja, uma diminuição na inclinação da curva com o passar do tempo, o que sugere que o material está aumentando sua resis- tência à fluência (encruamento).

O segundo estágio da fluên- cia, conhecido como fluência secundária ou fluência esta- cionária, é o estágio de maior duração; nesse intervalo, a taxa de deformação do material é constante (comportamento li-

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Encruamento ou endurecimento é o fenômeno no qual um metal dúctil torna-se mais duro e resis- tente conforme é deformado plasticamente. A maioria dos metais encrua a temperatura ambiente.

Recuperação é o processo no qual o material libera uma parcela da energia armazenada durante a deformação (encruamento), tem a sua dureza reduzida e retém a sua habilidade de sofrer deformação.

near da curva de deformação por tempo). A constância da taxa de deformação é resultado de um equilíbrio entre os processos concorrentes de encruamento e recuperação.

∆ э

Deformação por fluência,

Tempo,

Ruptura

Primária Terciária

Secundária

Deformação instantânea

x

∆ t

э

Figura 6 - Representação do comportamento típico de fluência para um material sob a ação de uma tensão constante a uma temperatura elevada

Fonte: adaptada de Callister Jr. e Rethwisch (2013).

Por fim, temos a fluência terciária, que é o estágio caracterizado por uma aceleração na taxa de deformação (aumento da inclinação da curva) do material, seguida da sua falha (ruptura). Esse comportamento se deve a alterações microestruturais e/ou metalúrgicas, como separação de contornos de grãos e formação de trincas, cavidades e vazios internos.

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147 UNIDADE 5

A inclinação da curva na região de fluência secundária (Δ∈/Δt), conhecida como taxa de fluência estacionária ou taxa de fluência mínima e simbolizada por ∈r, é um parâmetro muito importante utilizado em projetos de engenharia, que levam em consideração aplicações do componente a longo prazo, por exemplo um componente para uma usina de energia nuclear que é projetado para operar por várias décadas.

Em outras situações, o tempo para a ruptura ou tempo de vida até a ruptura, t_r (Figura 6), é o fator predominante no projeto, como na fabricação de palhetas de turbinas em aeronaves.

Efeito da Tensão e Temperatura

No fenômeno da fluência, podemos observar que tanto a temperatura quanto a tensão (carga) aplicada ao material influenciam no processo; dessa forma, um aumento da temperatura ou da tensão acarretará:

• Um aumento na deformação instantânea (deformação elástica) resultante da aplicação da tensão.

• Um aumento na taxa de fluência estacionária (Δ∈/Δt).

• Uma diminuição no tempo de vida até a ruptura por fluência.

Esses efeitos podem ser observados na Figura 7 a seguir, que apresenta o efeito da temperatura e da tensão sobre o comportamento das curvas deformação por tempo para o fenômeno de fluência.

σ

x

<

<<

0.4

ou

Tempo

Deformação por fluência

σ

σ σ

σ

Figura 7 - Representação dos efeitos da temperatura e tensão sobre o comportamento de fluência de um material Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013, p. 229).

Os resultados dos ensaios de fluência são comumente apresentados na forma de gráficos do logaritmo da tensão por logaritmo do tempo de vida até a ruptura. Na Figura 8, temos três curvas do logaritmo da tensão por logaritmo do tempo de vida até a ruptura de uma liga de carbono e níquel, para as temperaturas de 427 °C, 538 °C e 649 °C.

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Tendo em mão essas curvas (como a da Figura 8) para o material que se deseja utilizar, podemos determinar o tempo de vida até a ruptura em uma determinada temperatura quando submetido a uma determinada tensão.

Nesta unidade, nós iniciamos os nossos traba- lhos a partir do estudo das falhas em componentes, onde aprendemos a diferenciar uma fratura frágil de uma fratura dúctil. Além disso, vimos que alguns fatores, como microtrincas, podem acarretar a concentração de tensão aplicadas em componentes.

Vimos, também, os fenômenos da fadiga e da fluência. Em relação à falha por fadiga, vimos que

a falha de um componente pode acontecer, mesmo quando o seu limite de escoamento não é ultrapassado, caso esse componente seja submetido a uma aplicação repetitiva de tensões dinâmicas e variáveis.

Por fim, na falha por fluência, temos que um componente operando a altas temperaturas pode sofrer deformações permanentes quando submetido a uma tensão, mesmo que essa tensão seja inferior ao limite de escoamento desse material.

Todos esses tipos de falhas são importantes durante o projeto de componentes, especialmente no projeto de componentes estruturais. Essas falhas devem ser evitadas a todo custo, devido aos diversos prejuízos que elas podem causar.

10⁴ 10⁵

10² 400

300 200 10080 60

60 40 30 20 10 427ºC (800ºF)

538ºC (1000ºF)

649ºC (1200ºF) 8 6 4 3 2 40

30 20

10³

Tempo de vida até a ruptura (h)

Tensão (MPa) Tensão (103 psi)

Figura 8 - Gráfico da tensão (em escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (em escala logarítmica) para uma liga de carbono e níquel

Fonte: Callister Jr. e Rethwisch (2013, p. 229).

A fluência deve ser considerada em projetos de reatores, caldeiras, motores e outros componentes que operam a altas temperaturas por longos períodos de tempo. Contudo, materiais como o aço e o concreto sofrem uma ligeira fluência mesmo em temperaturas próximas a ambiente.

Fonte: James (2003, p. 17).

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153

ASKELAND, D. R.; WRIGHT, W. J. Ciência e Engenharia dos Materiais. 3. ed. São Paulo: Editora Cengage Learning, 2015.

BEER, F. P.; JOHNSTON JR. E. R. Resistência dos materiais. 7. ed. São Paulo: Editora Pearson, 2009.

CALLISTER JR., W. D.; RETHWISCH, D. G. Ciência e Engenharia de Materiais: uma Introdução. 8. ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, 2013.

JAMES, M. G. Mecânica dos Materiais. São Paulo: Editora Pioneira Thompson Learning, 2003.

SHACKELFORD, J. F. Ciência dos Materiais. 6. ed. São Paulo: Editora Pearson, 2013.

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154 1. E.

A alternativa III está incorreta, pois um aumento na temperatura do material acarretará um aumento na taxa de fluência estacionária (Δ∈/Δt).

2. C.

A alternativa I está incorreta, pois a falha por fadiga ocorre em três etapas, sendo a primeira etapa o sur- gimento de uma pequena trinca na superfície do material após um longo período de aplicação cíclica de tensões.

3. A.

A alternativa III está incorreta, pois em materiais que sofrem fratura dúctil, a deformação plástica observada serve de alerta, permitindo medidas preventivas.

A alternativa IV também está incorreta, pois materiais que sofrem fratura frágil, após formadas as trincas, propagam-se continuamente mesmo que a tensão de tração que as gerou não seja aumentada.

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