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FALHAS
Falhas
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Falhas
A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por várias razões, as quais incluem vidas humanas que são colocadas em risco, perdas econômicas e a interferência com a disponibilidade de produtos e serviços.
Embora as causas das falhas e o comportamento dos materiais possam ser conhecidos, a prevenção de falhas é difícil de ser garantida. As causas comuns são a seleção e o processamento inadequados de materiais, além do projeto inadequado ou da má utilização de um componente.
É responsabilidade do engenheiro antecipar e planejar levando em consideração possíveis falhas e, no caso de uma de fato ocorrer, avaliar a sua causa e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros incidentes.
Fundamentos da Fratura
Fatores que influenciam na ductilidade:
Temperatura do material
Da taxa de deformação
Estado de tensões
ETAPAS
Formação de trincas
Propagação de trincas
 
Tipos de Trincas
 Estáveis 
 Instáveis
Tipos de Fratura
Dúctil
Frágil
Fratura altamente dúctil.
Fratura moderadamente dúctil.
Fratura frágil.
Classificação baseada na habilidade de um material apresentar deformação plástica.
Tipos de Fratura
Fratura do tipo taça e cone no alumínio.
Fratura frágil em um aço doce.
Fotografia de uma superfície de fratura frágil mostrando nervuras r adiais em formato de leque. A seta indica a origem da trinca.
Fratura Dúctil
A fratura dúctil é caracterizada por uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando. O processo prossegui de maneira relativamente lenta conforme o comprimento da trinca aumenta. Frequentemente, esse tipo de trinca é dito ser estável, isto é, resiste a qualquer aumento adicional, a menos que exista um aumento na tensão aplicada.
A fratura dúctil é quase sempre preferível à frágil por duas razões. Em primeiro lugar a fratura frágil ocorre repentina e catastroficamente, sem nenhum aviso prévio; isso é uma consequência da espontânea e rápida propagação da trinca. Por outro lado, para as fraturas dúcteis, a presença de uma deformação plástica dá um alerta de que a fratura é iminente, permitindo que sejam tomadas medidas preventivas. Em segundo lugar, mais energia de deformação é necessária para induzir uma fratura dúctil, uma vez que os materiais dúcteis são mais tenazes.
A fratura do tipo taça está associada à fratura de materiais dúcteis.
Estágios de uma Fratura 
Tipo Taça e Cone
Qualquer processo de fratura envolve duas etapas – formação e propagação de trincas – em resposta a imposição de uma tensão.
Empescoçamento inicial.
Formação de pequenas cavidades.
Coalescência de cavidades para formar uma trinca.
Propagação da trinca.
Fratura final por cisalhamento em um ângulo de 45° em relação à direção da tração.
Fratura Dúctil
(a) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades esféricas de uma fratura dúctil resultante de cargas de tração uniaxiais.
(b) Fractografia eletrônica de varredura mostrando microcavidades com formato parabólico, características de fratura dúctil resultante de uma carga cisalhante.
Fratura Frágil
A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e através da rápida propagação de uma trinca.
A direção do movimento da trica é, aproximadamente, perpendicular à direção da tensão de tração aplicada, e produz uma superfície de fratura relativamente plana.
As superfícies de fratura dos materiais que falharam de maneira frágil apresentam seus próprios padrões característicos. Por exemplo, uma série de “divisas de sargento” em forma de “V” poderá se formar próximo ao centro da seção transversal de fratura, apontando para trás, na direção do ponto de iniciação da trinca. Outras superfícies de fratura frágil contêm linhas ou nervuras que se irradiam a partir do ponto de origem da trinca, seguindo um padrão em forma de leque.
Fratura Frágil
Fotografia mostrando “divisas de sargento” em “V”, característica de uma fratura frágil. As setas indicam a origem da trinca.
Fotografia de uma superfície de fratura frágil mostrando nervuras radiais em formato de leque. A seta indica a origem da trinca.
Fratura Frágil
Fratura Transgranular
Macroscopicamente, a superfície da fratura pode exibir uma textura granulada ou facetada, como resultado das mudanças na orientação dos planos de clivagem de um grão para outro.
Clivagem: É uma propriedade física que certos corpos minerais possuem de se quebrarem/dividirem com maior facilidade seguindo planos os quais estão relacionados com suas estruturas atômicas (internas), produzindo superfícies planas reticulares definidas (planos de clivagem/ superfícies de clivagem) e paralelas entre si. Essa ruptura ocorre na região de maior fraqueza da estrutura cristalina, ou seja, na área em que se encontram átomos com o menor número de ligações. 
Fratura Frágil
Fratura Intergranular
A propagação das trincas ocorre ao longo dos contornos dos grão.
Princípios da Mecânica da Fratura
Concentração de Tensões
A resistência à fratura medida para a maioria dos materiais é significativamente menor que a prevista a partir de cálculos teóricos baseados nas energias das ligações atômicas. Essa discrepância é explicada pela presença de defeitos ou trincas microscópicas, que sob condições normais sempre existem na superfície e no interior do corpo de um material.
Esses defeitos são um fator negativo para a resistência à fratura, pois uma tensão aplicada pode ser amplificada, concentrada na extremidade do defeito.
Princípios da Mecânica da Fratura
Trincas
Internas
Externas
Tensão Máxima
- Tensão máxima
- Tensão de tração nominal
- Comprimento de uma trinca superficial
- Raio de curvatura da trinca
Princípios da Mecânica da Fratura
FATOR DE CONCENTRAÇÃO DE TENSÕES (Ke)
A geometria de trincas superficiais e internas.
Perfil de tensões esquemático ao longo da linha X-X’ em (a), demonstrando a amplificação da tensão nas extremidades da trinca.
Análise de Tensão de Trincas
Os três modos de deslocamento da superfície de uma trinca.
Modo I, modo de abertura ou tração.
Modo II, modo de cisalhamento.
Modo III, modo de rasgamento.
Tenacidade à Fratura (Kc)
Y: parâmetro função do comprimento da trinca (a) e da largura (W) => Y(a/W) = f(a/W)
Kc: medida de resistência de um material à fratura frágil quando uma trinca está presente.
- Tensão crítica necessária para a propagação de uma trinca. 
Tenacidade à Fratura (Kc)
Y(a/W) = 1,0
Y(a/W) = 1,1
Em amostras relativamente finas, o valor de Kc dependerá da espessura da amostra. Entretanto, quando a espessura da amostra for muito maior que as dimensões da trinca, o valor de Kc torna-se independente da espessura.
Sob tais condições existe uma condição de deformação plana. Por deformação plana queremos dizer que quando uma carga atua em uma trinca da maneira como está representado na Figura 8.9a, não existe nenhum componente de deformação perpendicular às faces anterior e posterior. O valor de Kc para essa situação de amostra espessa é conhecida como tenacidade à fratura em deformação plana, Kic.
Tenacidade à Fratura (Kc)
PLACA FINITA
Fig 8.12
Unidades de Kc: MPa. 
Fórmula para cálculo de Y em função da geometria da Figura 8.12.
Tenacidade à Fratura em Deformação Plana (KIc)
Para amostras espessas
Materiais frágeis: KIc pequeno
Materiais dúcteis: KIc relativamente grande
: tensão limite de escoamento
Tenacidade à Fratura em Deformação Plana (KIc)
Tenacidade à Fratura em Deformação Plana (KIc)
Determinação de Y 
em Função da Geometria da Peça
Determinação de Y
Concentrador de Tensões
Fratura
Fadiga
Fluência
Ensaio de Fratura por Impacto
Dois ensaios padrão, o Charpy e o Izod, diferem entre si com respeito a posição do corpo-de-prova ser horizontal ou vertical, respectivamente. Também, a orientação do entalhe pode ser na face oposta a pancada do martelo (ensaio Charpy) ou com o entalhe voltado para o martelo.
Cálculo dos Parâmetros de Força e de Energia em um Ensaio sob ImpactoImpacto Através de um Martelo Preso a um Pêndulo
O trabalho W necessário para mover a massa (m), presa ao pêndulo de comprimento l, em um ângulo φ0 é equivalente à energia potencial de uma massa suspensa a uma altura correspondente ao deslocamento angular φ0 :
W= m.g.h0
Pêndulo em repouso: φ= 0 e h= 0.
Velocidade máxima: h= 0 → Ec= máximo
O martelo atinge a mesma altura do qual foi solto (em ausência de atrito). 
Na presença do corpo de prova haverá uma redução da altura atingida pelo martelo, redução da energia potencial, equivalente a energia para o quebra do corpo de prova.
Ensaio de Fratura por Impacto
https://www.youtube.com/watch?v=ivY2OZsXt74 
Transição Dúctil-Frágil
Dependência da energia de impacto Charpy com entalhe em “V” (curva A) e da porcentagem de cisalhamento na fratura (curva B) em relação à temperatura para uma aço A283.
Transição dúctil-frágil está entre -20 °C e 100 °C.
A aparência da superfície de falha serve como indicativo da natureza da fratura, e pode também ser usada em determinações da temperatura de transição dúctil-frágil.
Para a fratura dúctil, essa superfície parece fibrosa ou opaca (amostra ensaiada na temperatura de 79 °C).
De maneira contrária, as superfícies totalmente frágeis possuem uma textura granular (brilhosa) ou com características de clivagem (amostra a -59 °C).
Fadiga
É uma forma de falha que ocorre em estruturas que estão sujeitas a tensões dinâmicas ou cisalhantes.
É de natureza frágil, mesmo em metais dúcteis, pois existe muito pouca, se alguma, deformação plástica.
Ocorre pela iniciação e propagação de trincas.
Tensões Cíclicas
Tensão Média
Razão de Tensões
https://www.youtube.com/watch?v=PUj8Y2K5IFg 
Asas de um avião balançando em voo.
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga
Tensão Média
Efeitos da Superfície
Variáveis de Projeto
Tratamentos de Superfície
https://www.youtube.com/watch?v=LhUclxBUV_E
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga
Tensão Média
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga
Variáveis de projeto
Fatores que Influenciam a Vida em Fadiga
Tratamento de Superfície
Curva S-N
Amplitude de tensão abaixo do limite de resistência à fadiga não ocorre a ruptura do corpo-de-prova.
Alguns metais não apresentam o limite de resistência à fadiga. Há um decréscimo constante da amplitude de tensão com o número de ciclos.
Understanding Fatigue Failure and S-N Curves - YouTube
Curva S-N
Como há uma variação significativa na resistência à fadiga para cada nível de tensão, é necessário fazer diversos testes. Assim, é necessário um tratamento estatístico com os valores de tensão apresentado pelos diversos corpos-de-prova.
Curvas S-N de probabilidade de falha por fadiga em uma liga de alumínio.
P representa a possibilidade de falha.
Iniciação e Propagação de Trincas
Iniciação da trinca
Propagação da trinca
Estágio I
Estágio 2
Fratura final
Nf = Ni + Np
i: iniciação
p: propagação
Mecanismo de Propagação de Trincas por Fadiga
Taxa de Propagação de Trincas
a: comprimento da trinca
N: número de ciclos
A, m: parâmetros em função do material, do ambiente , da razão de tensões.
ΔK: fator de intensidade de tensão
 
ΔK= Kmáx - Kmín
Taxa de Propagação de Trincas
Fluência
Deformação permanente e dependente do tempo, quando estes são submetidos a uma carga ou tensão constante.
É observada em todos os tipos de materiais.
Nos metais, a fluência se torna importante quando T = 0,4.Tfusão.
Comportamento Geral da Fluência
A figura abaixo é uma representação esquemática do comportamento típico para metais para a fluência sob uma carga constante.
Como indicado na figura, com a aplicação da carga existe uma deformação instantânea que é totalmente elástica.
A curva de fluência resultante consiste em três regiões, cada uma das quais tem sua própria e distinta característica deformação tempo.
A fluência primária ou transiente ocorre primeiro, sendo caracterizada por uma taxa de fluência continuamente decrescente, isto é, a inclinação da curva diminui ao longo do tempo. Isso sugere que o material está apresentando um aumento na resistência à fluência, ou um encruamento – a deformação se torna mais difícil conforme o material é deformado.
Para a fluência secundária, algumas vezes denominada fluência estacionária, a taxa é constante, isto é, a curva do gráfico se torna linear. Com frequência, esse é o estágio que apresenta maior duração. A constância na taxa de fluência é explicada com base em um equilíbrio entre os processos concorrentes de encruamento e de recuperação. A recuperação é o processo pelo qual um material tem a sua dureza reduzida e retém sua habilidade de sofrer deformação.
Durante a fluência terciária existe uma aceleração da taxa e, por fim, ocorre a falha.
Comportamento Geral da Fluência
A figura abaixo é uma representação esquemática do comportamento típico para metais para a fluência sob uma carga constante.
Efeito da Tensão e da Temperatura
Efeito da Tensão e da Temperatura
Єr: taxa de fluência
K1 e n: constantes do material
Qf: energia de ativação para o processo de fluência
R: constante dos gases (8,31 J/(mol.K)
https://www.youtube.com/watch?v=tuOlM3P7ygA Razão de Poisson
https://www.youtube.com/watch?v=xkbQnBAOFEg
https://www.youtube.com/watch?v=78K0pbvHzjM Estado Plano de Tensão
https://www.youtube.com/watch?v=DLE-ieOVFjI Módulo de Young
https://www.youtube.com/watch?v=aQf6Q8t1FQE Tensão e Deformação
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