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11 - FALHA OU RUPTURA NOS METAIS

FraturaFluênciaFadigaDureza

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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

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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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FRATURA

Fraturas dúcteis

Fratura frágil

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FRATURA DÚCTILE ASPECTO MACROSCÓPICO

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a- formação do pescoçob- formação de cavidadesc- 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

MECANISMO DA FRATURA DÚCTIL

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FRATURA DÚCTILE ASPECTO MICROSCÓPICO

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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

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FRATURA TRANSGRANULAR E INTERGRANULAR

TRANSGRANULAR INTERGRANULAR

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EXEMPLO DE FRATURA SOB TRAÇÃO EM MATERIAIS COMPÓSITOS

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

Ex: Liga de alumínio reforçada com partículas de SiC e Al2O3

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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 FLUÊNCIATemperaturaMódulo de elasticidadeTamanho de grão

Em geral:Quanto maior o ponto de fusão, maior o módulo de

elasticidade e maior é a resistência à fluência.

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

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QUESTÕES PARA VOCES ESTUDAREM!

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

O que significa temperatura equicoesiva (TEC)?

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ENSAIO DE FLUÊNCIA

Bibliografia: V. Chiaverini, Tecnologia Mecânica, Vol. 1

Ler mais sobre fluência no Van Vlack, pg 152

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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, entre outras.A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.

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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.

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FADIGA

Os esforços alternados que podem levar à fadiga podem ser:TraçãoTração e compressãoFlexãoTorção,...

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Uma barra submetida a um esforço de flexão alternado pode apresentar pequenas trincas em lados opostos A e B.

Com a continuidade do esforço alternado, as trincas aumentam, reduzindo a área resistente da seção.

A ruptura de dá quando esta área se torna suficientemente pequena para não mais resistir à solicitação aplicada (C).

A fratura por fadiga é facilmente identificável. A área de ruptura C tem um aspecto distinto da restante, que se forma gradualmente.A fadiga é um processo progressivo, mas a ruptura é brusca e, assim, não édifícil imaginar o perigo que pode representar, uma vez que cargas variáveis ocorrem em inúmeros casos.

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O ensaio de fadiga por flexão pode ser feito com um arranjo conforme esquema :

Um motor gira um corpo-de-prova C. Os rolamentos externos são fixos em apoios eos internos recebem uma carga P, produzindo um esforço de flexão alternado, devidoà rotação do corpo-de-prova.Portanto, um ciclo completo de flexão alternada é aplicado a cada volta do eixo e onúmero de voltas é registrado pelo contador A.Quando o corpo se parte por fadiga, o contador deixa de ser acionado e sua indicação é o número de ciclos que o corpo suportou com a carga P.

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Conhecidas as dimensões do corpo-de-prova, épossível calcular a tensão de flexão em função de P. Assim, repetindo o ensaio para diversos valores de P, é possível elaborar gráfico relacionando o número de ciclos até a ruptura com a tensão de flexão

aço-carbono 0,5% C endurecido

liga de alumínio

ferro fundido (FoFo)

Pode-se notar que o aço tem um limite de resistência àfadiga, isto é, uma tensão abaixo da qual a vida da peça sob flexão alternada é teoricamente infinita.

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ENSAIO DE FADIGA E LIMITE DE FADIGA

Bibliografia: V. Chiaverini, Tecnologia Mecânica, Vol. 1

E também, leia mais sobre fadiga, em Van Vlack pg 157.

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DUREZAUm material, representado na figura pela cor verde, é submetido àação de uma esfera de material duro de diâmetro D, comprimida por uma força F. Isso produz uma cavidade no material de diâmetro d.

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DUREZA

Dureza Brinell

Dureza Rockwell

Dureza Vickers

Dureza Janka

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DUREZA

A dureza Brinell (HB) do material édada por:

( )( )22 d D D D F 2 HB

−−=π

A unidade é a mesma da tensão (pascal ou outra qualquer)

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DUREZA BRINELL

Para alguns materiais, a resistência à tração pode ser estimada a partir da dureza Brinell pela relação

σB = k HB

A constante k apresenta valores tabelados

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DUREZATabela com valores da constante k

0,44Liga Al Mg

0,26Alumínio fundido0,43Outras ligas de Mg

0,35Liga Al Cu Mg0,23Bronze fundido0,22Bronze laminado0,40Cobre, latão0,34Aço-liga0,36Aço-carbono

Valores de kMaterial

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DUREZA ROCKWELL

Para materiais duros, o objeto penetrante é um cone de diamante com ângulo de vértice de 120º.

Esta escala é chamada Rockwell C ou HRC.

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DUREZA ROCKWELL

Com materiais semi-duros ou macios é usada uma esfera de aço temperado de diâmetro 1/16". É a escala Rockwell B ou HRB.

Em ambos os casos, é aplicada uma carga padrão definida em normas e a dureza é dada pela profundidade de penetração.

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DUREZA VICKERSÉ usada uma pirâmide de diamante com ângulo de diedro de 136º que é comprimida, com uma força arbitrária F, contra a superfície do material.

Calcula-se a área S da superfície impressa pela medição das suas diagonais.

E a dureza Vickers (HV) é dada por F/S

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DUREZA VICKERS

Existe uma proporcionalidade entre a força aplicada e a área e, portanto, o resultado não depende da força, o que é muito conveniente para medições em chapas finas.

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DUREZA JANKAÉ uma variação do método Brinell, usada em geral para madeiras.

É definida pela força necessária para penetrar, até a metade do diâmetro, uma esfera de aço de diâmetro 11,28 mm (0,444 in).

O resultado é, portanto, uma força e não háum padrão de unidade.

Nos Estados Unidos é usada libra-força, em alguns países europeus, quilograma-força ou newton ou quilonewton.

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EQUIVALÊNCIA DE DUREZAObservar que as durezas Brinell e Vickerssão iguais (na prática) até o valor de 300. HV e HB são dados em kgf/mm2.

97,621521586,816516569,412012096,621021085,416016066,411511595,820520583,815515563,41101109520020082,2150150601051059419519580,414514556,41001009319019078,414014052959591,818518576,413513547,2909090,818018074,413013042,4858588,21701707212512536,48080

HRCHRBHBHVHRCHRBHBHVHRCHRBHBHV

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EQUIVALÊNCIA DE DUREZA

63,580038,938025,426526566,388040,740026,2270270

61,97603736024,6260260

67,592043,243026,9275275

59,370034,934023,825525556,965032,73202325025054,460031,531022,124524552,75703030030021,224024050,954029,629529520,2235235495102929029019,223023047,749028,32852859922522545,546027,628028098,2220220

HRCHRBHBHVHRCHRBHBHVHRCHRBHBHV