Ensaios de tenacidade à fratura

Teoria Completa

E aiiiiii galera!!!!

No tópico anterior vimos que a tenacidade à fratura é uma propriedade fundamental e importante dos materiais. Vimos que um material pode resistir a uma trinca sem ocorrer uma fratura frágil desde que o valor de K seja menor do que K C , chamado tenacidade à fratura.

Como conseguimos obter esses valores de tenacidade à fratura,   K C ?

Bom, ai é que entra os ensaios a fim de descobrirmos esses valores para cada material!

Há diversos ensaios padronizados, diferentes, para medir os valores de tenacidade à fratura dos materiais. Nos Estados Unidos, esses ensaios são normatizados pela ASTM. As normas estabelecem todo o procedimento para o ensaio, bem como o tamanho e a geometria do corpo de prova. Para cada ensaio o corpo de prova (com tamanho e geometria especificados) contém um defeito preexistente, geralmente uma trinca afiada que foi introduzida. O dispositivo de ensaio aplica uma carga sobre o corpo de provas, em uma taxa especificada, e também mede os valores para a carga e o deslocamento da trinca.

A figura abaixo é um esquema representativo da forma de aplicação de carregamento para os corpos de prova de tenacidade à fratura dos tipos: a) C(T) - compacto e b) SE(B) – corpo de prova de dobramento em três apoios .

Há várias geometrias de corpos de prova: compacto, dobramento, em forma de disco, em forma de arco, entre outros.

Não se preocupem com esses formatos, pois, com dito, todos estão especificados em normas como, por exemplo, a ASTM E399 e BS 5447.

O primeiro passo para executar um ensaio de K I c é determinar as dimensões críticas do corpo de prova. Essas dimensões são obtidas através de equações presentes na norma.

O segundo passo é a seleção do corpo de prova, dentre os vários tipos disponíveis. Os mais utilizados são: corpos de prova de dobramento em três apoios [SE(B)] e compacto [C(T)].

O terceiro passo é executar a pré-trinca de fadiga. Não se preocupe em saber como isso é feito, somente tenha em mente que a trinca de fadiga é considerada a mais aguda que se pode conseguir em um laboratório, por isso o entalhe usinado em forma de V é estendido por fadiga.

O quarto passo é aplicação de uma força crescente com a aquisição da curva “carga vs deslocamento da abertura da trinca ”.

O próximo passo, após a fratura, é medir a pré-trinca na linha central, na metade da distância entre linha central e as bordas, e nas bordas.

Por fim, análise do gráfico carga versus deslocamento para determinação do K I c .

Vamos praticar uma pouco?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Concurso CPTM – Engenheiro de Manutenção - 2012

Sobre a tenacidade de um material, assinale a alternativa correta.

  1. Determina a resistência à fratura de um material.
  2. É uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica localizada.
  3. É a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão constante ou quase constante, em função do tempo.
  4. É o efeito observado em estruturas com estado de tensões bem abaixo da tensão de ruptura, quando se pode desenvolver um acúmulo do dano com cargas cíclicas continuadas, conduzindo a uma falha do componente ou estrutura.
  5. É a deformação elástica que ocorre num material
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Passo 1

Tenacidade à fatura K c é uma propriedade que mede a resistência de um material a uma fratura frágil quando uma trinca está presente

Resposta

Letra: a)

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

A respeito da tenacidade a fratura, assinale a questão correta.

  1. A tenacidade à fratura é uma propriedade que mede a resistência de um material a uma fratura ductil quando uma trinca está presente.
  2. Os materiais frágeis possuem alta tenacidade à fratura e são vulneráveis a falhas catastróficas.
  3. A tenacidade à fratura diminui com a diminuição da temperatura.
  4. A tenacidade à fratura aumenta com o aumento da taxa de deformação.
  5. O aumento da tensão de escoamento aumenta a tenacidade à fratura.
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Passo 1

Em destaque segue os erros:

  1. A tenacidade à fratura é uma propriedade que mede a resistência de um material a uma fratura frágil quando uma trinca está presente.
  2. Os materiais frágeis possuem baixa tenacidade à fratura e são vulneráveis a falhas catastróficas.

d) A tenacidade à fratura diminui com o aumento da taxa de deformação.

  1. O aumento da tensão de escoamento diminui a tenacidade à fratura.

Resposta

Letra: c)

Exercício Resolvido #3

Elaboração própria

Atraves do ensaio de tenacidade à fratura consegui-se obter a seguinte propriedade:

  1. Limite de escoamento
  2. Tensão de ruptura
  3. K I c
  4. Coeficiente de Poisson
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Passo 1

O ensaio de tenacidade à fratura é realizado a fim de obtermos o valor da tenacidade à fratura em deformação plana K I c

Resposta

Letra: c)

Exercício Resolvido #4

Elaboração própria

Sobre o ensaio de tenacidade a fratura é correto afirmar:

  1. Um corpo de prova cilíndrico é submetido a um esforço de tração até a ruptura.
  2. Sobre o corpo de prova é aplicado uma força, através de uma esfera, e medido a área da impressão feita pela esfera.
  3. Corpos de prova padronizados são submetidos a esforços repetidos ou flutuantes , e estes podem romper-se com uma carga bem inferior à carga máxima atingida na tração.
  4. Corpo de prova entalhado tendo uma pré-trinca causada por fadiga e solicitado a tensões de carregamento em tração ou flexão. Como resultado do ensaio, obtém-se um gráfico relacionando a carga aplicada e o deslocamento da abertura do entalhe.
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Passo 1

Na letra (a) temos a descrição do ensaio de tração, na (b) ensaio de dureza, na (c) ensaio de fadiga e na (d) ensaio de tenacidade a fratura.

Resposta

Letra: d)

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

O valor da tenacidade à fratura em deformação plana significa:

  1. A resistência à propagação da trinca.
  2. A resistência à ruptura.
  3. A resistência ao impacto.
  4. A resistência a penetração.
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Passo 1

O valor da tenacidade à fratura em deformação plana significa a resistência à propagação da trinca em condições severas de triaxialidade de tensões, em ambiente neutro e com níveis de crescimento da trinca ∆ a = 2 % , para o caso de deformações plásticas pequenas.

Resposta

Letra: a)

Exercício Resolvido #6

Elaboração própria

Para que o ensaio de tenacidade à fratura em deformação plana possa ser validado sugeri utilizar a expressão abaixo:

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2

em que t é a espessura do corpo de prova, a o comprimento da trinca em uma superfície, K I c o valores de tenacidade a fratura em deformação plana e σ e a limite de escoamento.

Ensaia-se um aço-carbono com K I c = 50   M P a m e limite de escoamento igual a 1640 M P a .

Um corpo de prova com uma espessura de 1 c m e comprimento de trinca igual a 4 c m . Essas duas dimensões são válidas para o ensaio?

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Passo 1

Vamos primeiramente calcular os valores de t e a validos a partir da equação dada:

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2 = 2,5 ∙ 50 M P a m 1420 M P a 2 = 0,0023 m

Passo 2

Agora devemos comparar se os valores de t e a são maiores ou iguais ao calculado:

t = 0,01 m ≥ 0,0023 m

a = 0,04 ≥ 0,0023 m

Note que tanto a espessura quanto o comprimento da trinca satisfazem a expressão, logo a espessura de 1 c m e o comprimento da trinca de 4 c m são condições validas para o ensaio.

Resposta

Exercício Resolvido #7

Elaboração própria

Para que o ensaio de tenacidade à fratura em deformação plana possa ser validado sugeri utilizar a expressão abaixo:

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2

em que t é a espessura do corpo de prova, a o comprimento da trinca em uma superfície, K I c o valores de tenacidade a fratura em deformação plana e σ e a limite de escoamento.

Ensaia-se o aço 4340 temperado e revenido a 425°C com K I c = 87,4   M P a m e limite de escoamento igual a 142 0 M P a .

Um corpo de prova com uma espessura de 1 c m e comprimento de trinca igual a 3 c m . Essas duas dimensões são válidas para o ensaio?

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Passo 1

Vamos primeiramente calcular os valores de t e a validos a partir da equação dada:

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2 = 2,5 ∙ 87,4 M P a m 1420 M P a 2 = 0,0094 m

Passo 2

Agora devemos comparar se os valores de t e a são maiores ou iguais ao calculado:

t = 0,01 m ≥ 0,0094 m

a = 0,03 ≥ 0,0094 m

Note que tanto a espessura quanto o comprimento da trinca satisfazem a expressão, logo a espessura de 1 c m e o comprimento da trinca de 3 c m são condições validas para o ensaio.

Resposta

Exercício Resolvido #8

Garcia, A. Et al. Ensaios do Materiais, 2º edição

Um componente mecânico de grandes dimensões deve ser fabricado com ligas de alumínio, de diferentes propriedades mecânicas finais. A liga 2024-T351 apresentou limite de escoamento σ e = 325 M P a e tenacidade à fratura de K I c = 36 M P a m , ao passo que a liga 7075-T651 apresentou σ e = 5 05 M P a e K I c = 29 M P a m . Pergunta-se:

a) Se a espessura das chapas é de 10 m m , ter-se-á condição de deformação plana?

b) Em caso afirmativo, qual será o tamanho da trinca se for admitida uma tensão de trabalho de 200 M P a e Y=1?

Dica: Utilize as equações abaixo.

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2

σ c = K I c Y ∙ π ∙ a

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Passo 1

Primeiramente vamos checar se a condição de deformação plana é validada pela equação abaixo:

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2

Passo 2

Dados fornecidas para:

  • liga 2024-T351
  • σ e = 325 M P a e K I c = 36 M P a m

    t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2 = 2,5 ∙ 36 M P a m 325 M P a 2 = 0,03 m

    t = 0,01 m ≤ 0,03 m → L o g o   a   e s p e s s u r a   p a r a   e s s a   l i g a   n ã o   é     v a l i d a   p a r a   c o n d i ç ã o d e   d e f o r m a ç ã o   p l a n a .

  • liga 7075-T651

σ e = 50 5 M P a e K I c = 29 M P a m

t e   a ≥ 2,5 ∙ K I c σ e 2 = 2,5 ∙ 29 M P a m 50 5 M P a 2 = 0,008 m

t = 0,01 m ≥ 0,03 m → L o g o   a   e s p e s s u r a   p a r a   e s s a   l i g a   é   v a l i d a   p a r a   c o n d i ç ã o d e   d e f o r m a ç ã o   p l a n a .

Passo 3

Para descobrirmos o tamanho trinca critica para uma tensão de trabalho de 200 M P a e Y = 1 , vamos utilizando a equação abaixo com os dados da liga que é valida para a condição de deformação plana:

σ c = K I c Y ∙ π ∙ a

σ c 2 = K I c 2 Y 2 ∙ π ∙ a

a = K I c 2 Y 2 ∙ π ∙ σ c 2 = 29 M P a m 2 1 2 ∙ π ∙ 2 00 M P a 2 = 0,0067 m = 6,7 m m

No caso da liga 2024-T351, não se tem deformação plana, já que sua espessura é muito pequena e ela deve ser aumentada para valores acima de 0,03 m m para que isso não ocorra. Para a liga 7075-T651, admitindo-se uma tensão de trabalho menor que   σ e = 505 M P a , pode- se trabalhar com trincas com comprimento inferior a 6,7 m m .

Resposta

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