UERJ CRR FAT
Disciplina
CIÊNCIA DOS MATERIAIS
A. Marinho Jr
Tópico 7B Fratura, Fluência e Fadiga em metais
Fratura
O final do ensaio de tração é caracterizado pela ruptura do corpo de prova. Este ponto pode
ser ou não precedido de uma deformação plástica. Se for, temos fratura ductil e caso
contrário, fratura frágil. A tenacidade pode ser medida pela ductilidade, como o
alongamento ou a redução de área, ou ainda pela energia absorvida num ensaio de impacto.
Temperaturas de transição
Muitos materiais apresentam uma transição ductil-frágil e têm uma temperatura
característica dessa mudança, como se vê na figura 07.7 a seguir:
Figura 07.7 Na parte superior, vemos a variação da ductilidade com a temperatura para
diversos materiais. Na figura inferior, as temperaturas de transição para dois tipos de aço.
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Fluência
Deformação a altas temperaturas
Os metais com granulação fina são mais duros e, portanto, mais resistentes do que os de
granulação grosseira, isto a baixas temperaturas. A temperaturas elevadas, a situação se
inverte. Acima de temperaturas nas quais os átomos iniciam um movimento significativo, o
contorno de grão é uma ponte de fraqueza para o material. Pode-se entender isto melhor
através da figura 07.8, onde são mostrados esquematicamente, diversos grãos solicitados
por uma carga trativa vertical. Com tração numa direção, existe uma contração
perpendicular (conceito do coeficiente de Poisson, já visto). Sendo assim, os átomos
localizados ao longo dos contornos orientados verticalmente são aglomerados; os átomos
orientados horizontalmente apresentam um aumento no seu espaçamento. Isto conduz à
difusão dos contornos verticais para os horizontais, com o efeito global de uma mudança
gradativa na forma do metal. A deformação descrita acima é um mecanismo de fluência a
altas temperaturas, ou “creep”.
Figura 07.8 Contornos de grão e deformação (esquemático). A fluência resultante se torna
um fator importante no uso de materiais a altas temperaturas, nas quais os átomos se
difundem mais facilmente.
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Serviço em altas temperaturas
Como sugere o nome, a fluência é um processo lento de deformação. As taxas de
deformação são pequenas em níveis de tensão elevados ou mesmo de altas temperaturas.
Por exemplo, menos de 10-4 % /h. Esses valores são pequenos, mas devemos lembrar sua
importância no projeto de uma usina termoelétrica ou de um reator nuclear, que são
instalações destinadas a trabalhar a altas temperaturas por muitos anos. podemos
representar graficamente a deformação em função do tempo para diversas tensões e
temperaturas, como se vê na figura 07.9 a seguir:
Figura 07.9 Fluência. A taxa constante de fluência característica do segundo estágio
determina a vida útil do material.
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Fadiga
Existem muitos exemplos documentados de eventuais falhas em eixos de turbinas e em
outros equipamentos mecânicos que vinham, a principio, operando satisfatoriamente
durante muito tempo. A figura 07.10 mostra um exemplo de fratura desse tipo.
Antigamente, a explicação era de que o metal ficava “cansado” (fadiga) e rompia. Sabe-se
agora que a fratura por fadiga é o resultado de muitos movimentos microestruturais
localizados, que levam à propagação de trincas.
Figura 07.10 Fratura por fadiga em eixo de aço com diâmetro de 140 mm.
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As tensões que um material pode suportar sob carregamento cíclico são muito menores que
as suportáveis sob carregamento estático. O limite de resistência pode ser usado como um
guia de projeto apenas para estruturas que operam em condições de carregamento estático.
O número de ciclos, N, que um metal suportará decresce com o aumento das tensões, . A
figura 07.11 mostra uma curva
- N típica para fratura por fadiga dos aços. Em projetos
com carregamentos cíclicos ilimitados é necessário restringir as tensões a valores abaixo do
limite de resistência à fadiga desta curva. Na figura 07.12 temos exemplos de
carregamentos cíclicos que podem conduzir à ruptura por fadiga dos materiais.
Figura 07.11 Curva
- N para um aço 4140 normalizado. No limite de resistência à
fadiga, o número de ciclos se torna indeterminadamente grande.
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Figura 07.12 Exemplos de carregamentos cíclicos: (a) eixo de vagão ferroviário; (b) rotor
de um gerador e ( c) pressurização e despressurização em aeronaves.
Revisão 00 Março de 2009
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