Apostila de Mecânica da Fratura - ESAB

Apostila de Mecânica da Fratura - ESAB

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1. INTRODUÇÃO

2. CONCEITOS METALÚRGICOS

3. MECÂNICA DA FRATURA LINEAR ELÁSTICA (MFLE)

4. MECÂNICA DA FRATURA ELASTO-PLÁSTICA (MFEP)

5. BIBLIOGRAFIA

Elaborado por Cleber Fortes - Eng. Metalúrgico, MSc. Assistência Técnica Consumíveis - ESAB BR

1. INTRODUÇÃO

A Mecânica da Fratura Linear Elástica surgiu em função das limitações na aplicação dos conceitos tradicionais para prever o comportamento dos materiais quanto à presença de descontinuidades internas e superficiais.

Por sua vez, a Mecânica da Fratura Elasto-Plástica surgiu em função das limitações na aplicação do critério de KIc da Mecânica da Fratura Linear Elástica em materiais dúcteis, onde a existência de uma zona plástica de tamanho significativo em relação à espessura invalida as considerações de tensões elásticas na ponta da trinca controlando o processo de fratura.

A tenacidade à fratura de iniciação é considerada uma propriedade do material e portanto deve ser independente de tamanho, geometria e níveis de carregamento para um material com uma determinada microestrutura. Uma medição confiável de tenacidade à fratura é um pré-requisito para o projeto de componentes estruturais com base nos princípios da Mecânica da Fratura.

Existem métodos padronizados para a determinação da tena- cidade à fratura sob condições de deformação plana (KIc), que são válidos quando o tamanho da zona plástica à frente da ponta da trinca é pequeno.

No entanto, para materiais que apresentam uma parcela significativa de plasticidade antes do crescimento estável da trinca, os métodos de KIc não são mais aplicáveis. Sob tais situações, a Mecânica da Fratura Elasto-Plástica utiliza diversos métodos para lidar com relações não lineares entre o campo de tensões e o de deformações, como, por exemplo, o CTOD e a integral J.

O método CTOD baseia-se na medição do deslocamento da abertura da ponta da trinca como parâmetro crítico de iniciação do processo de fratura.

O método da integral J introduz um tratamento matemático que relaciona campos de tensões e deformações ao longo de um caminho ao redor da ponta da trinca.

Apesar de estes métodos já estarem bem desenvolvidos experimentalmente, o problema ainda não está analiticamente resolvido, cada método apresentando suas limitações.

2. CONCEITOS METALÚRGICOS

2.1 Ductilidade, tenacidade e fragilidade

O comportamento de um metal ou liga metálica em fratura pode ter várias classificações, dependendo do critério abordado.

Sob o ponto de vista de energia absorvida durante o processo de fratura, podemos ter a fratura frágil, associada com uma pequena quantidade de energia absorvida e a fratura tenaz, onde é consumida uma grande quantidade de energia antes de ocorrer a fratura.

Sob o ponto de vista da deformação plástica que ocorre na vizinhança das superfícies de fratura, a fratura pode ser classificada como dúctil ou frágil. Quando a deformação plástica precedendo a fratura é intensa, dizemos que a fratura é dúctil. Como a deformação plástica ocorre com consumo de energia, a fratura dúctil está vinculada a um comportamento tenaz. Por outro lado, a fratura frágil é aquela que ocorre com baixo nível de deformação plástica e portanto com pequeno consumo de energia.

Sob o ponto de vista de micromecanismos de fratura, podemos dizer que a fratura dúctil normalmente ocorre por cisalhamento, enquanto que a fratura frágil ocorre por clivagem.

Assim, podemos sumarizar as diversas classificações dos processos de fratura conforme a tabela 2.1:

Ponto de vista Classificação da Fratura

Modo cristalográfico cisalhamento clivagem Aspecto da fratura fibrosa granular Deformação plástica dúctil frágil Energia absorvida tenaz frágil

Tabela 2.1 - Diversas classificações dos processos de fratura

Os aspectos metalúrgicos das fraturas serão abordados posteriormente em item específico.

2.2 Temperatura de transição

Normalmente, os materiais apresentam uma variação de tenacidade ou de ductilidade com a variação da temperatura. Metais com estrutura cristalina cúbica de faces centradas como, por exemplo, cobre, alumínio, níquel e aço inoxidável austenítico, apresentam uma queda suave de tenacidade com a diminuição da temperatura. Por sua vez, metais com estrutura cristalina cúbica de corpo centrado como, por exemplo, aços ferríticos, apresentam sensível queda em tenacidade em uma certa faixa de temperatura. A figura 2.1 ilustra, de forma esquemática, a variação de tenacidade com a temperatura, para ambos os tipos de estrutura cristalina.

Figura 2.1 - Curvas de ductilidade em função da temperatura

Deve ser notado que a causa da transição do comportamento dos aços ferríticos de dúctil para frágil quando a temperatura diminui é uma mudança no modo metalúrgico de fratura de cisalhamento para clivagem, por uma inibição dos mecanismos de deformação plástica. Como uma conseqüência desse aumento da restrição à deformação plástica, e não como uma causa, temos uma passagem de escoamento em larga escala para escoamento restrito no comportamento mecânico macroscópico do material, fazendo com que o material frature logo após o limite de escoamento ser atingido.

Não só a temperatura, mas qualquer parâmetro que restrinja a deformação plástica pode provocar uma queda na tenacidade ou na ductilidade, como, por exemplo a taxa de deformação ou o estado de tensões reinante.

O efeito da taxa de deformação na tenacidade ou na ductilidade pode ser observado na figura 2.2. Nota-se que, quanto maior for a taxa de deformação, menor será a tenacidade ou a ductilidade.

Figura 2.2 - Efeito (esquemático) da taxa de deformação na tenacidade ou ductilidade de metais com transição dúctil-frágil.

O comportamento sob deformação plana refere-se à fratura sob tensões elásticas, que é essencialmente frágil. O comportamento plástico refere-se à fratura dúctil sob condições de escoamento generalizado, normalmente acompanhado, mas não necessariamente, de grandes lábios de cisalhamento. A transição entre os dois extremos é a região elasto-plástica. A figura 2.3 mostra a relação entre os micromecanismos de fratura atuantes em cada região e a variação da tenacidade com a temperatura e taxa de deformação.

Figura 2.3 - Relação (esquemática) entre os micromecanismos de fratura, tenacidade e taxa de deformação com a temperatura em metais com transição dúctil-frágil.

Para carregamento estático, a região de transição ocorre a temperaturas mais baixas que para carregamento dinâmico. Então, para estruturas sujeitas a carregamento estático, a curva de transição estática deve ser usada para prever seu comportamento em serviço, enquanto que, para estruturas sujeitas a carregamento dinâmico, usase a curva de transição dinâmica. Da mesma forma, para estruturas sujeitas a taxas intermediárias de carregamento, usa-se a curva de transição intermediária. Quando as taxas reais de carregamento não são bem definidas, a curva de carregamento dinâmico é usada para prever o comportamento da estrutura em serviço. Essa prática é conservadora e explica porque muitas estruturas que apresentam baixa tenacidade ao entalhe, medida pelos ensaios de impacto, não falham, mesmo com temperaturas de serviço bem abaixo da temperatura de transição sob condições de carregamento dinâmico.

A presença de um entalhe (ou de outro concentrador de ten- sões) em um componente, que pode alterar o estado de tensões reinante para triaxial na região do entalhe, dificulta a deformação plástica e, conseqüentemente, reduz a ductilidade (ou a tenacidade) a uma determinada temperatura. A presença de um entalhe tende a aumentar a temperatura de transição dúctil-frágil, tendo, portanto, um efeito similar ao aumento da taxa de deformação, como é mostrado na figura 2.4.

0 COM ENTALHE

Figura 2.4 - Efeito de concentradores de tensões na ductilidade de metais com transição dúctil-frágil.

2.3 Ensaio de impacto Charpy

O ensaio de impacto Charpy tem sido extensivamente usado nos ensaios mecânicos de produtos de aço e em pesquisa por mais de quatro décadas.

O ensaio de impacto Charpy está relacionado com o comportamento do material sujeito a carregamento dinâmico (altas taxas de carregamento) e a um estado triaxial de tensões associado a um entalhe em V.

As características essenciais para um ensaio de impacto são: um corpo de prova adequado, um suporte no qual o corpo de prova é colocado, um martelo com energia cinética conhecida e um dispositivo de medição da energia absorvida na quebra do corpo de prova.

O corpo de prova padrão conforme a especificação ASTM E23 pode ser visto na figura 2.5.

Figura 2.5 - Corpo de prova de impacto Charpy.

O dispositivo de ensaio, bem como o suporte para colocação do corpo de prova, são mostrados na figura 2.6.

Figura 2.6 - Dispositivo de ensaio de impacto Charpy.

O corpo de prova é colocado no suporte por meio de um dispositivo de centralização. O martelo, preso a uma altura determinada para fornecer uma energia cinética conhecida no momento do impacto com o corpo de prova, é liberado e rompe o corpo de prova na região do entalhe, continuando sua trajetória até uma certa altura. A medição da energia absorvida no impacto é feita por meio de um cursor que acompanha o martelo em todo o seu curso até seu retorno, indicando a diferença entre a energia inicial e a energia final do martelo.

Para ensaios com temperatura controlada, o tempo entre a retirada do corpo de prova do banho e a sua fratura não deve exceder 5 seg. O tempo de permanência do corpo de prova à temperatura de ensaio deve ser de, no mínimo, 10 min, para meios líquidos.

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