Falhas

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FALHAS 
 
A falha de materiais de engenharia é quase sempre um evento indesejável por vários motivos: vidas humanas que são colocadas em 
perigo, perdas econômicas, e a interferência na disponibilidade de produtos e serviços. Embora as causas de falha e o 
comportamento de materiais possam ser conhecidos, a prevenção de falhas é uma condição difícil de ser garantida. As causas usuais 
são a seleção e o processamento dos materiais de uma maneira não apropriada, e o projeto inadequado do componente ou a sua 
má utilização. E uma das responsabilidades do engenheiro é antecipar e planejar considerando possíveis falhas e, no caso de uma 
falha de fato ocorrer, avaliar a sua causa e então tomar as medidas de prevenção apropriadas contra futuros incidentes. 
 
FRATURA 
FUNDAMENTOS DA FRATURA 
 
A fratura simples consiste na separação de um corpo em dois ou mais pedaços em resposta a uma tensão imposta que possua 
natureza estática (isto é, constante ou que se modifica lentamente ao longo do tempo) e a temperaturas que são baixas quando 
comparadas à temperatura de fusão do material. A tensão aplicada pode ser de tração, compressão, cisalhamento ou torcional; esta 
discussão estará restrita a fraturas que resultam de cargas de tração uniaxiais. Para materiais na engenharia, são possíveis dois 
modos de fratura: dúctil e frágil. A classificação está baseada na habilidade de um material em experimentar uma deformação 
plástica. Os materiais dúcteis exibem tipicamente uma deformação plástica substancial com grande absorção de energia antes da 
ocorrência da fratura. Por outro lado, existe normalmente pouca ou nenhuma deformação plástica com baixa absorção de energia 
acompanhando uma fratura frágil. "Dúctil" e "frágil" são termos relativos; se uma fratura é de um modo ou de outro, depende da 
situação. A ductilidade pode ser quantificada em termos do alongamento percentual e da redução de área percentual. Além disso, a 
ductilidade é uma função da temperatura do material, da taxa de deformação e do estado de tensão. 
 Qualquer processo de fratura envolve duas etapas, a formação e a propagação de trincas, em resposta à imposição de uma 
tensão. A modalidade de fratura é altamente dependente do mecanismo de propagação da trinca. A fratura dúctil é caracterizada 
por uma extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando. Ademais, o processo prossegue de maneira 
relativamente lenta à medida que o comprimento da trinca se estende. Esse tipo de trinca é frequentemente chamado de estável. 
Isto é, ela resiste a qualquer extensão adicional a menos que exista um aumento na tensão aplicada. Adicionalmente, existirá 
normalmente a evidência de uma deformação generalizada apreciável nas superfícies da fratura (por exemplo, torção e ruptura). 
Por outro lado, no caso de uma fratura frágil, as trincas podem se espalhar de maneira extremamente rápida, com o 
acompanhamento de muito pouca deformação plástica. Tais trincas podem ser chamadas de instáveis, e a propagação da trinca, 
uma vez iniciada, irá continuar espontaneamente sem um aumento na magnitude da tensão aplicada. 
 A fratura dúctil é quase sempre preferível por dois motivos. Em primeiro lugar, a fratura frágil ocorre repentinamente e 
catastroficamente, sem qualquer aviso; isto é uma consequência da espontânea e rápida propagação da trinca. Por outro lado, no 
caso da fratura dúctil, a presença de deformação plástica dá um alerta de que uma fratura é iminente, permitindo que medidas 
preventivas sejam tomadas. Em segundo lugar, mais energia de deformação é exigida para induzir uma fratura dúctil, uma vez que 
materiais dúcteis são geralmente mais tenazes. Sob a ação de uma tensão de tração aplicada, a maioria das ligas metálicas são 
dúcteis, enquanto os cerâmicos são notavelmente frágeis, e os polímeros podem exibir ambos os tipos de fratura. 
 
 
 
(a) Fratura altamente dúctil na qual a amostra empescoça até um único ponto. 
(b) Fratura moderadamente dúctil após algum empescoçamento. (c) Fratura 
frágil sem qualquer deformação plástica. 
 
 
 
 
 
 
 
FRATURA DÚCTIL 
As superfícies de fratura dúctil irão possuir as suas próprias características distintas, tanto no nível macroscópico quanto no nível 
microscópico. A figura acima mostra representações esquemáticas para dois perfis macroscópicos característicos de fratura. A 
configuração mostrada na figura (a) é encontrada em metais sólidos extremamente macios, tais como o ouro puro e o chumbo puro 
a temperatura ambiente, e em outros metais, polímeros ce vidros inorgânicos a temperaturas elevadas. Esses materiais altament e 
dúcteis empescoçam até uma fratura pontual, apresentando virtualmente uma redução de 100% na área. O tipo mais comum de 
perfil de fratura de tração para os metais dúcteis é aquele que está representado na figura (b), onde a fratura é precedida por 
somente uma quantidade moderada de empescoçamento. O processo de fratura ocorre normalmente em vários estágios (figura 
abaixo). Em primeiro lugar, após o empescoçamento ter início, pequenas cavidades, ou "microvazios", se formam no interior da 
seção reta, conforme está indicado na figura abaixo (b). Em seguida, à medida que a deformação prossegue, esses microvazios 
aumentam em tamanho, se unem e coalescem para formar uma trinca elíptica, que possui o seu eixo mais comprido perpendicular 
à direção da tensão. A trinca continua a crescer em uma direção paralela a seu eixo principal através desse processo de coalescência 
de microvazios (figura abaixo(c)). Finalmente, a fratura se sucede pela rápida propagação de uma trinca ao redor do perímetro 
externo do pescoço , por deformação cisalhante em um ângulo de aproximadamente 45° com o eixo de tração (este é o ângulo 
segundo o qual a tensão cisalhante é máxima). Algumas vezes uma fratura que possui esse contorno superficial característico é 
conhecida por fratura taça e cone, pois uma das superfícies casadas possui a forma de uma taça, enquanto a outra lembra um cone. 
Nesse tipo de amostra fraturada, a região central interior da superfície possui uma aparência irregular e fibrosa, o que é um indicativo 
de deformação plástica. 
 
 
Estágios na fratura taça e cone. (a) Empescoçamento inicial. (b) 
Pequena formação de cavidades. (c) Coalescência de cavidades para 
formar uma trinca. (d) Propagação de trinca (e) Fratura final por 
cisalhamento em um ângulo de 45° em relação à direção de tração. 
 
 
Uma informação muito mais detalhada com relação ao mecanismo 
da fratura está disponível a partir de um exame microscópico, 
normalmente utilizando um microscópio eletrônico de varredura. O 
microscópio eletrônico de varredura é o preferido para exames 
fractográficos, uma vez que ele possui resolução e profundidade de 
campo muito melhores do que a de um microscópio ótico; essas 
características são necessárias para revelar os aspectos topográficos 
de superfícies de fraturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FRATURA FRÁGIL 
A fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável e através de uma rápida propagação da trinca. A direção do movimento 
da trinca está muito próxima de ser perpendicular à direção da tensão de tração aplicada e produz uma superfície de fratura 
relativamente plana, conforme está indicado na primeira figura deste material – figura (c). As superfícies de fratura de materiais que 
falharam em modo frágil terão os seus próprios padrões de distinção; quaisquer sinais de deformação plástica generalizada estarão 
ausentes. Para a maioria dos materiais cristalinos frágeis, a propagação da trinca corresponde à quebra sucessiva e repetida de 
ligações atômicas ao longo de planos cristalográficos específicos; tal processo é conhecido por clivagem. 
 
É importante ressaltar que os materiais cerâmicos têm a sua aplicabilidade limitada em certos aspectos devido às suas propriedades 
mecânicas, que em muitos aspectos são inferiores àquelasapresentadas pelos metais. A principal desvantagem é uma disposição à 
fratura catastrófica de uma maneira frágil, com muito pouca absorção de energia. 
 
FRATURA FRAGIL DAS CERÂMICAS 
À temperatura ambiente, tanto as cerâmicas cristalinas como as cerâmicas não-cristalinas quase sempre fraturam antes que qualquer 
deformação plástica possa ocorrer em resposta à aplicação de uma carga de tração. O processo de fratura frágil consiste na formação 
e na propagação de trincas através da seção reta do material em uma direção perpendicular à carga aplicada. As resistências à fratura 
medidas para os materiais cerâmicos são substancialmente inferiores àquelas estimadas pela teoria a partir das forças de ligação 
interatômicas. Isso pode ser explicado pela existência de defeitos muito pequenos e onipresentes no material, os quais servem como 
fatores de concentração de tensões, ou seja, pontos onde a magnitude de uma tensão de tração que é aplicada é amplificada. Esses 
concentradores de tensões podem ser diminutas trincas de superfície ou internas (microtrincas), poros internos e arestas de grãos, os 
quais são virtualmente impossíveis de serem eliminados ou controlados. Uma concentração de tensões na extremidade de um defeito 
pode causar a formação de uma trinca, a qual pode se propagar até uma fratura real. A medida da habilidade de um material 
cerâmico em resistir à fratura quando uma trinca está presente é especificada em termos da tenacidade à fratura. 
 
Foi observado que determinadas fraturas é especialmente sensível às condições do ambiente, especificamente quando existe 
umidade presente na atmosfera. Em relação ao mecanismo, ocorre provavelmente um processo de corrosão sob tensão nas 
extremidades da trinca; isto é, a combinação da aplicação de uma tensão de tração e da dissolução do material leva a um afilamento 
e a um aumento no comprimento das trincas até que, ao final, uma trinca cresce até um tamanho que é capaz de apresentar uma 
rápida propagação. Adicionalmente, a duração da aplicação da tensão que precede a fratura diminui com o aumento da tensão. 
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1) As resistências à fratura medidas para os materiais cerâmicos são substancialmente inferiores àquelas estimadas pela teoria a 
partir das forças de ligação interatômicas. Por quê?