Aula 1 Introdução mecanica da fratura

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<p>Aula 1: Mecânica da fratura</p><p>Introdução</p><p>Prof. Dr. Alessandra Agna Araújo dos Santos</p><p>E-mail: alessandraagna@yahoo.com.br</p><p>Sala: Prédio das oficinas LAMAV (térreo lado esquerdo</p><p>primeira porta verde)</p><p>Agosto de 2018</p><p> Discussão da metodologia da disciplina;</p><p> Introdução: Mecânica da fratura</p><p>◦ Mecânica da fratura: motivação do estudo (fratura dos navios Liberty;</p><p>abordagem inicial da mecânica da fratura vs abordagem atual (tensão aplicada vs</p><p>tamanho do defeito vs tenacidade á fratura); Critério energético de Griffth; Irwin</p><p>e Orowan (modificação do critério de Griffth vs fator de intensidade de tensão</p><p>KIC)</p><p>◦ MFLE vs MFEP</p><p>◦ Campo de aplicação da mecânica da fratura</p><p> Mecanismos de fratura</p><p>◦ Frágil</p><p>◦ Dúctil</p><p> Griffth (1921) foi o primeiro a propor um critério energético para a fratura (balanço</p><p>de energia de Griffth). Griffth utilizou a 1 lei da termodinâmica para determinar um</p><p>balanço de energia que estabelecia uma relação entre tensão de fratura e tamanho</p><p>de trinca;</p><p> Balanço de energia de Griffth (para trinca de comprimento 2a numa placa infinita).</p><p>O que é uma placa infinita?</p><p> Qual a limitação do método de Griffth?</p><p> Griffth explicou qualitativamente porque a resistência dos materiais fragéis era</p><p>menor que seu valor teórico (10-1000 vezes menor);</p><p> Griffth demonstrou que defeitos (trincas por exemplo) atuam como concentradores</p><p>de tensão, e que a tensão acumulada nesses defeitos é responsavél pela propagação</p><p>da trinca e consequente fratura do material;</p><p> Griffth determina a resistência a fratura por dois parâmetros: energia de superficie</p><p>de fratura e tamanho do defeito crítico;</p><p> O abordagem energética de Griffth só pode ser aplicada a materiais frágeis (por</p><p>exemplo vidro), e com tamanho de falha estreita (microns);</p><p> Toda a abordagem atual da mecânica da fratura é uma extensão da abordagem da</p><p>Griffith. Para um melhor entendimento da mecânica da fratura (MFLE, MFEP e</p><p>dinâmica) se faz necessário a compreeensão da abordagem desenvolvida por</p><p>Griffth.</p><p> Irwin e Orowan (1948) a partir da abordagem energética de Griffth, desenvolveram</p><p>a abordagem do fator de intensidade de tensão (KI). Essa abordagem tinha como</p><p>objetivo suprir limitações do método de Griffth, ou seja, podia ser aplicado a</p><p>materiais com leve comportamento plástico;</p><p> Irwin e Orowan propuseram que a energia consumida ao longo da abertura da</p><p>trinca, se dá não somente pela energia de superfície (balanco energético de Griffth),</p><p>mas também pelo fluxo plástico, na ponta da trinca;</p><p> A fratura segundo Irwin e Orowan ocorrerá quando KI > KIC; Onde, σ = tensão a</p><p>qual o material esta submetido, a = tamanho de trinca, σc = tensão que levará a</p><p>ruptura do corpo de prova; O valor de KIC é afetada pela temperatura é pela taxa de</p><p>aplicação do carregamento (tensão e deformação);</p><p> Definição: Resistência a propagação de trinca. Unidades: MPa.m-1/2 ou MNm-3/2;</p><p> Como se obtém o KIC?</p><p> Fatores que afetam KIC: Temperatura e estado de tensão (estado de tensão plana e</p><p>estado de deformação plana);</p><p> Em que condições KIC é valido:</p><p>◦ Valido para materiais que sofram pequena deformação plástica (pequena zona</p><p>plástica ao redor da trinca);</p><p>◦ Estado de deformação plana.</p><p> Tenacidade á fratura e resistência mecânica são a mesma coisa?</p><p> A propriedade mecânica tenacidade obtida no ensaio de tração é a mesma que</p><p>KIC (tenacidade á fratura)?</p><p> Abordagem energética de Griffith (1921) - MFLE;</p><p> Abordagem de Orowan e Irwin: Fator de intensidade de tensão (KIC) (1948) –</p><p>MFLE;</p><p> MFLE (1960);</p><p> MFEP (1963): CTOD, Integral J;</p><p> Mecanismos de fratura dinâmica.</p><p> Griffith e Irwin desenvolveram os primeiros estudos teóricos e experimentais da</p><p>fratura estável, enquanto que Mott, Dulaney e Brace são apontados como os</p><p>precursores dos estudos da fratura dinâmica ou instável, e são considerados como</p><p>os responsáveis pela visão moderna da mecânica da fratura atual;</p><p> Determinar o tamanho crítico de trinca num determinado material;</p><p> Determinar para um tamanho de trinca inicial, quanto tempo leva até o tamanho de</p><p>trinca crítico;</p><p> A mecânica da fratura é a área responsavél pelo estudo dos mecanismos de</p><p>propagação de trinca e consequente fratura dos materiais. Faz uso de métodos</p><p>analíticos da mecânica dos sólidos para calcular a força necessária para propagar a</p><p>trinca, bem como de aparatos experimentais da mecânica dos sólidos para</p><p>caraterizar a resistência dos materiais;</p><p> A Mecânica da fratura desempenha papel vital no design, durabilidade e</p><p>confiabilidade de um componente, desempenha papel crítico no que tange a vida e</p><p>segurança de materiais aeroespaciais, vasos de pressão nucleares, materiais</p><p>eletrônicos e etc.</p><p> A separação de um sólido em duas ou mais partes sob a ação de estresse (tensão) é</p><p>chamada de fratura;</p><p> Como se dá a fratura? R: nucleação e propagação da trinca;</p><p> A fratura de um sólido pode ocorrer sob diversas condições dentre as principais</p><p>podemos citar:</p><p>◦ Aplicação lenta de cargas externas;</p><p>◦ Aplicação rápida de cargas externas (Impacto);</p><p>◦ Carregamento cíclico ou repetido de cargas externas (Fadiga);</p><p>◦ Deformação dependente do tempo (Fluência);</p><p>◦ Devido ao ambiente (corrosão, fragilidade pelo hidrogênio e etc).</p><p> Os fatores que afetam DIRETAMENTE a fratura são basicamente três:</p><p>◦ Temperatura;</p><p>◦ Taxa de deformação;</p><p>◦ Estado de tensão: Estado de tensão plana ou Estado de deformação plana.</p><p> Independente do processo que origina a falha (fadiga, fluência, corrosão e etc), o</p><p>crescimento da trinca e da ruptura ocorrerá por mecanismo dúctil or frágil;</p><p> Mecanismo dúctil ou frágil vai depender da habilidade do material de acomodar a</p><p>deformação plástica;</p><p> Mecanismo Dúctil (ruptura por deformação plástica, geração e mobilidade de</p><p>discordâncias, a trinca é estavél (resiste a propagação desde que não haja aumento</p><p>de carga);</p><p>◦ Exemplos: a maioria dos metais, dependendo da temperatura!!</p><p>◦ FRATURA DÚCTIL É PREFERIVÉL SE COMPARADA A FRÁGIL;</p><p> Mecanismo Frágil (ausência de deformação plástica, baixa mobilidade de</p><p>discordâncias, propagação instavél da trinca (a trinca se propaga rapidamente sem</p><p>adição de carga);</p><p>◦ Exemplos: Cerâmicos, metais dependendo da temperatura!!</p><p> Os projetos convencionais de componentes de máquinas e estruturas de engenharia são,</p><p>em geral, baseados na filosofia de se evitar a ocorrência de colapso plástico</p><p>generalizado. As propriedades mecânicas dos materiais geralmente especificadas nos</p><p>códigos de projeto são o limite de escoamento e limite de resistência;</p><p> Um material é dito CONFIAVÉL segundo a mecânica da fratura se o mesmo escoa antes</p><p>de fraturar (condição para que haja escoamento antes da fratura KIC/σescoamento >= raiz</p><p>π.c (onde c é o tamanho máximo de trinca). Por essa razão os metais são confiavéis (se</p><p>comparados a cerâmicos e polímeros), e são os materiais mais utilizados na engenharia;</p><p> Na seleção de um material para uma dada aplicação, é comparado o valor calculado da</p><p>tensão que atua no componente com o valor tabelado do limite de escoamento, e assim</p><p>se chega a uma tensão admissível de projeto. A tensão admissível é encontrada pela</p><p>relação entre a tensão de escoamento é um fator de segurança (FS);</p><p> O FS varia de 1-12. Para guindastes e elevadores o FS=10; para vasos de pressão FS=4;</p><p>Aviões 1,2-1,5!! O FS de um avião é praticamente igual a de uma cadeira escolar.</p><p>Porque??</p><p>1. Considere um material frágil com energia de superfície de 1 J/m2 e módulo de</p><p>elasticidade E=100 GPa.</p><p>◦ a) Qual a tensão crítica (tensão que causa a fratura) desse material para um</p><p>tamanho de trinca de 1 mm.</p><p>◦ b) Se a energia de superfície for aumentada para 3000 J/m2, e o tamanho de</p><p>defeito continuar o mesmo, a tensão para fraturar o material continuará a</p><p>mesma? Relacione sua resposta com a teoria energética de Griffith</p><p>2. O alumínio tem uma energia de superfície de 0,5 J/m2 e módulo de elasticidade de</p><p>70 GPa. Qual a tensão crítica (tensão que causa a fratura) do alumínio para um</p><p>tamanho de trinca</p><p>de 1 mm e de 1 cm. Explique a diferença.</p><p>3. Engenheiros estão projetando um componente de cerâmica para aplicação em um</p><p>motor a jato. A cerâmica selecionada tem tenacidade á fratura (KIC) 8 MPa m-1/2,</p><p>e será submetida a uma tensão de tração máxima de 500 MPa. Calcule o máximo</p><p>tamanho de trinca que pode ter essa cerâmica.</p><p> Explicar como surgiu a abordagem atual da mecânica da fratura, motivação (fratura</p><p>de navios);</p><p> Definir a abordagem da mecânica da fratura e seus objetivos.</p><p> Importância dos estudos de Griffith na abordagem atual da mecânica da fratura;</p><p> Classificar a árvore da mecânica da fratura e campos de aplicação;</p><p> Principais causas que geram a fratura em sólidos (impacto, fadiga, fluência,</p><p>corrosão e etc);</p><p> Definição e características dos mecanismos dúctil e frágil.</p><p> Chen, J.; Patton, R. J. (1993). Robust model-based fault diagnosis for dynamic</p><p>systems, Kluwer Academic Publishers, Boston, MA, USA;</p><p> Callister, W. D., Materials Science and Engineering: An introduction. 7ed. 2007;</p><p> Kabeya, K. (1998). Structural health monitoring using multiple piezoelectric</p><p>sensors and actuators, Master thesis, Virginia Polytechnic Institute and State</p><p>University – CIMSS, USA;</p><p> Leonid Zhigilei, http://people.virginia.edu/~lz2n/mse209/index.html MSE 2090:</p><p>Introduction to Materials Science Chapter 8, Failure;</p><p> MEYERS., CHAWLA., Mechanical Behavior of Materials. Second Edition.</p><p>Cambridge. 2009;</p><p> T. L Anderson., Fracture Mechanics: Fundamentals e applications., 2005.</p><p>Obrigada.</p>