Falhas em Materiais: Fraturas

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FALHAS 
Estagiário Docente: Murillo
Professor: Alexandre
Disciplina: Materiais e suas Propriedades 
INTRODUÇÃO - SITUAÇÃO
“O entalhe facilita a abertura do sachê de 
ketchup, isto é, a tensão exercida é 
amplificada pelo entalhe”
O QUE É UMA FALHA? 
O QUE É UMA FALHA? 
“Incapacidade de um ativo ou componente em 
desempenhar a sua função”
CONCEITO DE FALHA NA ENGENHARIA: FRATURA SIMPLES 
A fratura simples consiste na separação de um corpo em duas ou mais partes em resposta à imposição de uma tensão estática 
(isto é, que é constante ou que varia lentamente ao longo do tempo) e em temperaturas que são baixas em relação à 
temperatura de fusão do material
DEFINIÇÃO DE FRATURA SIMPLES:
a deformação plástica continua até uma 
redução na área para posterior ruptura 
(geralmente observada em metais CFC e 
CCC com maior número de sistemas de 
escorregamento).
DÚCTIL 
não ocorre deformação plástica, e requer 
menos energia que a fratura dúctil (maior 
ocorrência em metais HC com menor número 
de sistemas de escorregamento).
FRÁGIL
Extraído de Ref. 1 Callister - Figuras de V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures (2nd ed.), Fig. 4.1(a) and (b), p. 66 John Wiley and Sons, Inc., 1987. 
COMO RECONHECER UMA FRATURA: DÚCTIL X FRÁGIL 
Uma peça
Alta Deformação
Muitas Peças
Pequena Deformação
DÚCTIL 
FRÁGIL
Figura Extraída da Ref.1, Callister 10e. [(a)] Fratura altamente dúctil na qual a amostra forma um pescoço até um único ponto. {(b) Fratura 
moderadamente dúctil com algum empescoçamento (estricção). [(c)] Fratura frágil sem nenhuma deformação plástica.
COMO RECONHECER UMA FRATURA II: DÚCTIL X FRÁGIL 
Fratura Pontual
“Aviso antes da Fratura” “Sem alarme”
ASPECTO MACROSCÓPICO: DÚCTIL X FRÁGIL
FRATURA ‘TAÇA-CONE’ 
EM ALUMÍNIO 
FRATURA FRÁGIL EM FERRO 
FUNDIDO CINZENTO 
Figuras extraídas da Ref. 1, Callister 10 e. (a) Fratura do tipo taça e cone em alumínio. (b) Fratura frágil em ferro fundido cinzento
FRATURA DÚCTIL: ESTÁGIOS DE UMA FRATURA DO TIPO TAÇA-CONE
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. (a) Empescoçamento inicial. (b) Formação de pequenas cavidades. (c) Coalescência de cavidades para formar uma 
trinca. (d) Propagação da trinca. (e) Fratura final por cisalhamento em um ângulo de 45º em relação à direção da tração
(a) (b) (c) (d) (e) 
Superfície de fratura de um fio de malha
metálica de pneus sob tensão F. Roehrig, 
CC Technologies, Dublin, OH.
FRATURA DÚCTIL MODERADA 
100 mm50 mm
‘EMPESCOÇAMENTO’ ‘NUCLEAÇÃO DE VAZIOS’
‘CRESCIMENTO E 
LIGÃÇÃO
DOS VAZIOS’
‘CISALHAMENTO 
NA SUPERFÍCE’
‘FRATURA’
As partículas agem como sítios 
nucleadores de vazios
NUCLEAÇÃO DE VAZIOS
V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of 
Metallurgical Failures (2nd ed.), Fig. 11.28, p. 
294, John Wiley and Sons, Inc., 1987. (Orig. 
source: P. Thornton, J. Mater. Sci., Vol. 6, 
1971, pp. 347-56.)
Para saber mais, acesse: https://youtu.be/sKBOdB0x4gk
ASPECTO MICROSCÓPICO: DÚCTIL
Figura extraída da Ref. 1 [(a)], Callister 10e. Fractografia 
eletrônica de varredura mostrando microcavidades 
(dimples) esféricas características de uma fratura dúctil 
que resulta de cargas de tração uniaxiais. Ampliação de 
3300×. 
Figura extraída da Ref. 1 [(b)], Callister 10e. Fractografia eletrônica de 
varredura mostrando microcavidades com formato parabólico características 
de fratura dúctil que resulta de uma carga cisalhante. Ampliação de 5000×.
ASPECTO MACROSCÓPICO: FRÁGIL
Para maiores informações, acesse: www.georgevandervoort.com 
ASPECTO MICROSCÓPICO: FRÁGIL
Marcas estriadas em forma de ‘V’ 
características de fratura frágil! 
Figura extraída da Ref. 1 [(a)], Callister 10e. Fotografia mostrando “marcas de 
sargento” em forma de “V”, características de uma fratura frágil. As setas indicam a 
origem da trinca. Aproximadamente em tamanho real
ASPECTO MICROSCÓPICO: FRÁGIL
Figura Extraída da Ref. 1 [(b)], Callister 10e. Fotografia de uma superfície de fratura frágil mostrando nervuras radiais em 
formato de leque. A seta indica a origem da trinca. Ampliação de aproximadamente 2× [(a)]
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• Intergranular
(entre os grãos)
• Intragranular
(dentro dos grãos
Alumina Al2O3
(cerâmica)
"Failure Analysis of Brittle 
Materials", p. 78. 
Copyright 1990, The 
American Ceramic 
Society, Westerville, OH. 
(Micrograph by R.M. 
Gruver and H. Kirchner.)
Aço inox 316 
(metal)
"Metals Handbook", 9th 
ed, Fig. 650, p. 357. 
Copyright 1985, ASM 
International, Materials 
Park, OH. (Micrograph by 
D.R. Diercks, Argonne 
National Lab.)
Aço inox 304 
(metal)
"Metals Handbook", 9th 
ed, Fig. 633, p. 650. 
Copyright 1985, ASM 
International, Materials 
Park, OH. (Micrograph by 
J.R. Keiser and A.R. 
Olsen, Oak Ridge 
National Lab.)
Polipropileno
(polímero)
R.W. Hertzberg, "Defor-
mation and Fracture 
Mechanics of 
Engineering Materials", 
(4th ed.) Fig. 7.35(d), p. 
303, John Wiley and 
Sons, Inc., 1996.
3 mm
4 mm
160 mm
1 mm
(Orig. fonte: K. Friedrick, Fracture 1977, Vol. 3, 
ICF4, Waterloo, CA, 1977, p. 1119.)
Figuras extraídas da Ref. 1 Callister 
ASPECTO MICROSCÓPICO: FRÁGIL
FRATURA TRANSGRANULAR 
Figura extraída da Ref 1 Callister 10e. [(a)] Perfil 
esquemático de uma seção transversal mostrando a 
propagação de uma trinca através do interior dos 
grãos em uma fratura transgranular
Figura extraída da Ref. 1 Callister 10e. (B) Fractografia eletrônica de varredura 
de um ferro fundido nodular mostrando uma superfície de fratura transgranular. 
Ampliação desconhecida.COLANGELO, V. J. e HEISER, F. A. Analysis of 
Metallurgical Failures, 2a ed. Copyright © 1987 por John Wiley & Sons, Nova 
York. Reimpressa sob permissão de John Wiley & Sons, Inc.]
FRATURA INTRAGRANULAR 
Figura extraída da Ref. 1, Callister 10e. [(a)] 
Perfil esquemático de uma seção transversal 
mostrando a propagação de uma trinca ao longo 
dos contornos de grão em uma fratura 
intergranular.
Figura extraída da Ref.1, Callister 10e. (b) 
Fractografia eletrônica de varredura 
mostrando uma superfície de fratura 
intergranular. Ampliação de 50×.
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FRATURA
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e (a) 
Geometria de trincas superficiais e internas. 
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e (a) 
Geometria de trincas superficiais e internas. 
EXERCÍCIO RESOLVIDO I
Qual é a magnitude da tensão máxima que existe na extremidade de uma trinca interna com um raio de curvatura de 
0,25 µm e um comprimento de trinca de 12,5 µm, quando a tensão de tração de 70 MPa é aplicada?
𝜎𝑚 = 2𝜎0
𝑎
𝜌𝑒
Τ1 2
𝜎𝑚 = 2. 70
Τ12,5 2
0,25
Τ1 2
𝜎𝑚 = 2. 70 25 Τ1 2
𝜎𝑚 = 700 𝑀𝑃𝑎
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Figuras extraídas da Ref. 1 Callister 
PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
EXERCÍCIO RESOLVIDO II
Se a energia de superfície específica para um vidro de cal de soda (E = 69 GPa) é de 0,30 J/𝑚2 
Calcule a tensão crítica necessária para a propagação de uma trinca de superfície com comprimento de 0,05 mm.
𝜎𝑐 =
2𝐸𝛾𝑠
𝜋𝑎
1/2
𝜎𝑐 =
2. (69.10)9. 0,3
𝜋 . 0,05 . 10−3
1/2
𝜎𝑐 = 16 𝑀𝑃𝑎
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
EXERCÍCIO RESOLVIDO III
Suponha que um componente de asa de avião seja fabricado a partir de uma liga de alumínio que tem uma tenacidade à fratura 
de 40 MPa.𝑚1/2. Foi determinado que a fratura ocorre sob um nível de tensão de 365 MPa quando o comprimento máximo de 
uma trinca interna é de 2,5 mm. Para esse mesmo componente e essa mesma liga, calcule o nível de tensão sob o qual a 
fratura ocorrerá para um comprimento crítico de trinca interna de 4,0 mm.
Kc = Y 𝜎𝑐 𝜋𝑎
Kc = Y . 365 𝜋1,25 . 10−3
Y = 1,75
40 = 1,75 𝜎𝑐 𝜋 2 . 10−3
 𝜎𝑐 = 288 𝑀𝑃𝑎
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Representações esquemáticas de (a) uma trinca interna em uma placa com largura infinita e (b) uma trinca na 
borda de uma placa com largurasemi-infinita.
Sólido com largura "infinita" Y = 1,0 Sólido com largura "semi-infinita" Y = 1,1
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
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PRINCÍPIOS DA MECÂNICA DA FRATURA
Tabela extraída da Ref. 1 Callister 
ENSAIOS DE IMPACTO: CHARPY & IZOD
Dois testes padronizados, o Charpy e o Izod, foram projetados e ainda são usados para medir a energia de impacto, às 
vezes denominada de tenacidade ao entalhe.
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. (a) Corpo de prova 
usado nos ensaios de impacto Charpy e Izod. (b) Desenho 
esquemático de um equipamento para ensaios de impacto. 
O martelo é liberado a partir de uma altura fixa h e atinge o 
corpo de prova; a energia consumida na fratura é refletida 
na diferença entre h e a altura de balanço h′. Também são 
mostrados os posicionamentos dos corpos de prova para 
os ensaios Charpy e Izod.
TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL
Uma das principais funções dos ensaios Charpy e Izod consiste em determinar se um material apresenta uma transição 
dúctil-frágil com a diminuição da temperatura e, se esse for o caso, a faixa de temperaturas na qual isso acontece
A transição dúctil-frágil está relacionada à dependência em relação à temperatura da medida da absorção de energia no 
impacto.
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Dependência da energia de impacto Charpy com entalhe em “V” (curva A) e do percentual de cisalhamento na 
fratura (curva B) em relação à temperatura para um aço A283.
TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL
Curvas esquemáticas para os três tipos gerais de comportamento ao impacto (Energia versus Temperatura)
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Curvas esquemáticas para os três tipos genéricos de comportamento da energia de impacto em função da 
temperatura.
TRANSIÇÃO DÚCTIL-FRÁGIL
Influência do teor de carbono sobre o comportamento da energia Charpy com entalhe em “V” em função da temperatura 
para o aço.
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Influência do teor de carbono sobre o comportamento da energia Charpy com entalhe em “V” em função da 
temperatura para o aço.
TENACIDADE À FRATURA: 
MODOS DE DESLOCAMENTO DA SUPERFÍCIE DE UMA TRINCA 
ABERTURA 
OU TRAÇÃO
CISALHAMENTO RASGAMENTO
Adaptado de Fig. 1 [(b)], Callister 10e. Os três modos de rasgamento de uma trinca 
Técnicas de ensaios
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 resistência à tração (para cargas estáticas)
É comum ocorrer em estruturas como pontes, aviões, componentes de máquinas...
A falha por fadiga é geralmente de natureza frágil mesmo em materiais dúcteis.
DEFINIÇÃO:
FADIGA
é possível ocorrer uma falha 
sob um nível de tensão 
inferior ao limite de 
resistência à tração ou ao 
limite de escoamento para 
uma carga estática
Figura extraída da Ref. 1, Callister 10e. 
(a) uma máquina de ensaios e de (b) um corpo de prova.
CURVA S-N – ENSAIO DE FADIGA POR FLEXÃO ROTATIVA
Shot Peening- exemplo aplicação (2076) Shot peening: surface treatment for a longer 
service life - YouTube
https://www.youtube.com/watch?v=aHYKd6eKJxk
https://www.youtube.com/watch?v=aHYKd6eKJxk
TENSÕES CÍCLICAS: VARIAÇÃO DA TENSÃO COM O TEMPO
Figura extraída da Ref. 8.18, Callister 
10e. [(a)] Ciclo de tensões alternadas, no 
qual a tensão alterna entre uma tensão de 
tração máxima (+) e uma tensão de 
compressão máxima (–) de igual 
magnitude. 
TENSÕES ALTERNADAS TENSÕES REPETIDAS TENSÕES ALEATÓRIAS 
Figura extraída da Ref. 8.18, 
Callister 10e. [(b)] Ciclo de tensões 
repetidas, no qual as tensões 
máxima e mínima são assimétricas 
em relação ao nível de tensão zero; 
Figura extraída da Ref. 8.18, Callister 
10e [(c)] Ciclo de tensões aleatórias.
TENSÕES CÍCLICAS: VARIAÇÃO DA TENSÃO COM O TEMPO
Figura extraída da Ref. 1, Callister 10e [(a)] um material que exibe limite de resistência à fadiga e (b) um material que não exibe limite de resistência à fadiga.
RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA: APLITUDE DE TENSÃO (S) EM FUNÇÃO DOLOGARITMO 
DO NÚMERO DE CICLOS ATÉ A FALHA POR FADIGA (N)
A curva 𝜎-n representa a tensão versus o número de ciclos para que ocorra a fratura. 
Normalmente para N utiliza-se a escala logarítmica. 
Material com limite de Fadiga bem definido Material sem limite de Fadiga definido
Figura extraída da Ref. 8.21, Callister 10e Tensão máxima (S) em função do logaritmo do número de ciclos até a falha por fadiga (N) para sete ligas 
metálicas. As curvas foram geradas usando ensaios de flexão rotativa e ciclos de tensões alternadas.
RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA: TENSÃO MÁXIMA (S) EM FUNÇÃO DO LOGARITMO DO 
NÚMERO DE CICLOS ATÉ A FALHA POR FADIGA (N) PARA SETE LIGAS METÁLICAS
RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA
Figura extraída da Ref. 1 Callister 
RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA
Figura extraída da Ref. 1 Callister 
RESULTADOS DO ENSAIO DE FADIGA
Figura extraída da Ref. 1 Callister 
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VIDA DA FADIGA 
Efeitos de superfície: Variáveis de projeto (cantos agudos e demais descontinuidades podem levar a concentração de 
tensões e então a formação de trincas) e tratamentos superficiais (polimentos, jateamento, endurecimento superficial 
melhoram significativamente a vida em fadiga)
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Demonstração de como o projeto pode reduzir a amplificação de uma tensão. (a) Projeto ruim: aresta viva. (b) 
Projeto bom: a vida em fadiga é melhorada pela incorporação de um filete adoçado no eixo rotativo no ponto onde existe mudança no diâmetro.
FATORES QUE INFLUENCIAM NA VIDA DA FADIGA 
INICIAÇÃO E PROPAGAÇÃO DE TRINCAS
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Superfície de fratura de um eixo 
rotativo de aço que apresentou falha por fadiga. Nervuras de marcas de praia 
estão visíveis na fotografia.
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 10e. Superfície de falha por fadiga. 
Uma trinca se formou na borda superior. A região lisa, também próxima 
ao topo, corresponde à área na qual a trinca se propagou lentamente. A 
falha repentina ocorreu na área que possui uma textura opaca e fibrosa (a 
área maior). Ampliação de aproximadamente 0,5×.
CONCEITO DE FALHA NA ENGENHARIA: FLUÊNCIA (CREEP)
É executado pela aplicação de uma carga uniaxial constante a um corpo de prova de mesma 
geometria dos utilizados no ensaio de tração, a uma temperatura elevada e constante. 
ENSAIO DE FLUÊNCIA
O tempo de aplicação de carga é estabelecido em função da vida útil esperada do 
componente
Mede-se as deformações ocorridas em função do tempo ( x t)
FATORES QUE AFETAM A FLUÊNCIA 
Figura extraída da Ref. 1 Callister 
(a) Lâmina de turbina policristalina que foi 
produzida por uma técnica de moldagem 
convencional. A resistência à fluência em alta 
temperatura é melhorada através de uma 
estrutura de grão colunar orientada (b) 
produzida por uma sofisticada técnica de 
solidificação direcional. A resistência é 
melhorada ainda mais quando lâminas de 
cristal único (monocristal) (c) são usadas.
COMPORTAMENTO GERAL EM FLUÊNCIA (CREEP)
Estágio Primário: ocorre um decréscimo contínuo na taxa de fluência 
( = d/dt), ou seja, a inclinação da curva diminui com o tempo devido ao 
aumento da resistência encruamento
Estágio Secundário: A taxa de fluência é constante (linear) devido aos 
fenômenos de encruamento e recuperação. O valor médio da taxa de fluência 
nesse estágio é chamado de taxa mínima de fluência (m), que é um dos 
parâmetros mais importantes a se considerar em um projeto de componente 
de vida longa.
Estágio Terciário: Ocorre uma aceleração na taxa de fluência que culmina a 
ruptura do corpo de prova. Ressalta-se que a ruptura ocorre com a separação 
dos contornos de grão, formação de coalescimentos de trincas, conduzindo a 
uma redução de área localizada e consequente aumento da taxa de 
deformação.
Figura Extraída da Ref. 8.30, Callister 10e.FLUÊNCIA: EFEITOS DA TEMPERATURA E TENSÃO
1. A deformação instantânea no tempo da aplicação aumenta;
2. A taxa de fluência em estado estacionário é aumentada;
3. O tempo de vida de ruptura é diminuído
Figura Extraída da Ref. 1, Callister 
10e. Influência da tensão σ e da 
temperatura T sobre o comportamento da 
fluência.
FLUÊNCIA: EFEITOS DA TEMPERATURA E TENSÃO
FLUÊNCIA: EFEITOS DA TEMPERATURA E TENSÃO
FLUÊNCIA: EFEITOS DA TEMPERATURA E TENSÃO
Figura extraída da Ref. 1 Callister 
• [1] W.D. Callister Jr., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. 10ª Edição, LTC, Rio de 
Janeiro, 2021.
• [2] L.H. Van Vlack, Princípios de Ciências dos Materiais: Uma Introdução, 5ª Edição, LTC, Rio de 
Janeiro, 2002.
• [3] J.F. Schackelford, Introduction to Materials Science for Engineers, Prentice Hall, 6th Edition, 2004.
• [4] Donald R. Askeland, Pradeep P. Fulay, and Wendelin J. Wright, The Science & Engineering of
Materials
• Notas de aula dos Prof. Márcio e Prof. Alexandre
REFERÊNCIAS
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