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

Cite 3 fatores que podem fazer com que um metal apresente uma transição dúctil-frágil.

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Passo 1

Fala ai! Três fatores que podem fazer com que um metal apresente uma transição dúctil-frágil são:

- Exposição a tensões sob temperaturas relativamente baixas

- Taxas de deformação elevadas

- Presença de um entalhe afilado

Resposta

- Exposição a tensões sob temperaturas relativamente baixas

- Taxas de deformação elevadas

- Presença de um entalhe afilado

Exercício Resolvido #7

Elaboração Própria

Como a temperatura da transição dúctil-frágil pode ser reduzida em aços de baixa resistência?

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Passo 1

Fala ai! Para aços de baixa resistência, a temperatura da transição dútil-frágil é sensível à composição da liga e também à micro estrutura. Tanto a diminuição no tamanho de grão, quanto o aumento no teor de carbono podem melhorar as propriedades mecânicas desses aços.

Resposta

Para aços de baixa resistência, a temperatura da transição dútil-frágil pode ser reduzida pela diminuição no tamanho de grão e pela redução no teor de carbono.

Exercício Resolvido #8

Livro Callister, Problema 8.12

Encontram-se tabulados a seguir os dados coletados a partir de diversos ensaios de impactos Charpy em um ferro fundido nodular.

  1. Trace os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura.
  2. Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura correspondente à média entre as energias de impacto máxima e mínima.
  3. Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura na qual a energia de impacto é de 80J.
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Passo 1

Na letra a:

O gráfico da energia de impacto versus temperatura é mostrado abaixo.

Passo 2

Na letra b:

A média das energias de impacto máxima e mínima dos dados é

M é d i a = 124 J + 6 J 2 = 65 J

Conforme indicado no gráfico pelo conjunto de linhas tracejadas, a temperatura de transição dúctil para quebradiça de acordo com este critério é de cerca de –105 ° C.

Passo 3

Na letra c:

Além disso, conforme observado no gráfico pelo outro conjunto de linhas tracejadas, a temperatura de transição dúctil para quebradiça para uma energia de impacto de 80 J é de cerca de –95 ° C.

Resposta

  1. M é d i a = 124 J + 6 J 2 = 65 J
  2. –95 ° C

Exercício Resolvido #9

Livro Callister, Problema 8.13

Encontram-se tabulados a seguir os dados coletados a partir de diversos ensaios de impactos Charpy em um aço 4140 revenido.

  1. Trace os dados na forma da energia de impacto em função da temperatura.
  2. Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura correspondente à média entre as energias de impacto máxima e mínima.
  3. Determine a temperatura de transição dúctil-frágil como a temperatura na qual a energia de impacto é de 70J.
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Passo 1

O gráfico da energia de impacto versus temperatura é mostrado abaixo.

Passo 2

Na letra b:

A média das energias de impacto máxima e mínima dos dados é

M é d i a = 89,3 J + 25 J 2 = 57,2 J

Conforme indicado no gráfico pelo conjunto de linhas tracejadas, a temperatura de transição dúctil para quebradiça de acordo com este critério é de cerca de –75 ° C.

Passo 3

Na letra c:

Além disso, conforme observado no gráfico pelo outro conjunto de linhas tracejadas, a temperatura de transição dúctil para quebradiça para uma energia de impacto de 70 J é de cerca de –55 ° C.

Resposta

  1. M é d i a = 89,3 J + 25 J 2 = 57,2 J
  2. –55 ° C

Exercício Resolvido #10

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 #11

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 #12

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