Nucleação e propagação de trincas

Teoria Completa

E ai pessoal!!!! Tranquilo?

Como podemos caracterizar uma falha por fadiga de um material?

A falha por fadiga é caracterizada por três etapas diferentes:

  1. Nucleação ou iniciação da trinca;
  2. Propagação da trinca
  3. Ruptura final

Na primeira etapa há o surgimento de uma pequena trinca, que se forma em determinado ponto, que possui alto concentrador de tensão, por exemplo, rasgos de chaveta conforme figura abaixo. Provavelmente a trinca irá surgir desse friso, pois ele é um concentrador de tensão.

Na segunda etapa a trinca irá avançar um pedaço a cada ciclo de tensão até atingir um determinado tamanho, no qual o material não suportará mais o carregamento imposto e sofrerá uma ruptura brusca. Essa falha final é a terceira etapa, no qual o material sofrerá uma fratura frágil ou dúctil, dependendo do comportamento do material.

Na maioria das vezes as trincas de fadiga iniciam na superfície do componente em algum ponto de alto concentrador de tensão. Esses pontos incluem não só o rasgo de chaveta, conforme citado anteriormente, como também ângulos vivos, marcas de pancadas, fios de roscas, riscos superficiais, entre outras descontinuidades do material. Além disso, o carregamento cíclico pode produzir descontinuidades superficiais microscopias causadas pelas movimentações de discordâncias, logo essa descontinuidades também podem atuar como um concentrador de tensão e, portanto, ser local de nucleação da trinca.

A região de uma superfície de fratura, formada na etapa de propagação da trinca, pode ser caracterizada por dois tipos de marcas, denominadas marcas de praia e estrias. Essas duas marcas indicam a posição da extremidade da trinca em um dado momento e aparecem como nervuras concêntricas que se propagam para longe do ponto de inicio da trinca, com frequência em um padrão circular ou semicircular. Algumas vezes, quando não há um ponto de nucleação, mas sim uma linha, como ocorre muitas vezes em fios de roscas, as nervuras podem aparecer concêntricas à superfície de fratura final e não concêntricas onde se iniciou a trinca. As marcas de praias são visíveis a olho nu. Já as estrias só são observadas em microscópio eletrônico de varredura e em material muito dúctil, como por exemplo, o alumínio. Entretanto, na maioria das vezes é muito difícil observar as estrias!

A figura acima mostra uma superfície metálica que fraturou por fadiga. Nessa superfície notamos as três etapas: (1) inicio da trinca; (2) Marcas de praia que caracterizam a etapa de propagação da trinca; (3) Ruptura ou fratura final.

A figura acima é uma fractografia feita em microscópio eletrônico de varredura em uma ampliação de 9000 vezes do alumínio. Nela observamos as estrias de fadiga, que não é observável a olho nu.

É interesse notar que as dimensões das estrias são muito menores do que as dimensões das marcas de praia. Em uma única marca de praia pode haver milhares de estrias!!

É importante mencionarmos que quando marcas de praias ou estrias são observadas em uma fratura podemos dizer que o material falhou por fadiga. Porém não podemos afirmar que o material não falhou por fadiga caso não conseguirmos observar essas marcas. A detectabilidade das estrias diminui com a passagem do tempo, por causa da formação de produtos de corrosão de superfície e/ou de películas de óxidos. Ainda, durante o ciclo de aplicação de tensões, as estrias podem ser destruídas por ação abrasiva, na medida em que as superfícies de trincas opostas se esfregam umas contra as outras.

Lembrem que as marcas de praia ou as estrias não aparecerão na superfície que sofreu a ruptura final.

Expandir

Exercício Resolvido #1

Elaboração própria

A falha por fadiga é caracterizado por três etapas. Quais são elas?

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Passo 1

A falha por fadiga ocorre em três etapas. A primeira é caracterizada pela nucleação da trinca de fadiga. A segunda é caracterizada pela propagação da trinca de fadiga. E por fim temos a etapa de ruptura final.

Resposta

Exercício Resolvido #2

Elaboração própria

O que são marcas de praia e como identifica-las?

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Passo 1

Na falha por fadiga, depois da nucleação da trinca, temos a propagação da trinca. É nessa etapa que são formadas as marcas de praia. As marcas de praia podem ser originadas através de diferentes graus de oxidação produzidos nas sucessivas parada do mateiral, ou seja, áreas próximas à origem da trinca de fadiga estão sujetas a maior tempo de corrosão, podendo indicar diferentes estágios de corrosão, aparecendo como marcações até a ruptura final, ou pela variação nas condições de carregamento, isto é, indicam interrupções nos períodos de propagação das fraturas. Essas marcas são visíveis a olho nú e representam milhares ou mesmo milhões de ciclo. Elas são semicirculares ou semi-eliptico e apontam para o inicio de nucleação da trinca. A figura abaixo mostra as marcas de praia.

Resposta

Exercício Resolvido #3

Lista Estácio

Com relação ao fenômeno da fratura sob fadiga, só NÃO podemos afirmar:

  1. A trinca geralmente surge em um detalhe do material que representa um concentrador de tensões , o que pode ser representado por uma falha de fabricação ou manufatura.
  2. A propagação da trinca ocorre quando o material está submetido a tensões trativas que resultem em tensões acima do limite de escoamento na ponta da trinca.
  3. As trincas se propagam a partir da atuação das tensões dinâmicas sobre o material quando estas assumem valores acima do limite de escoamento do material.
  4. A fratura também pode se originar em um “defeito” superficial, como riscos, ângulos vivos, rasgos de chaveta, fios de roscas e marcas oriundas de pancadas.
  5. Mesmo um material sem defeitos superficiais pode apresentar concentradores de tensão, como extrusões e inclusões oriundas do deslizamento de planos atômicos.
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Passo 1

As trincas de fadiga se propagam a partir da atuação das tensões cíclicas sobre o material, com tensões abaixo do limite de escoamento do material.

Resposta

Letra: c)

Exercício Resolvido #4

Lista Estácio

Geralmente, a trinca surge em um detalhe do material que representa um concentrador de tensões, o que pode ser representado por uma falha de fabricação ou manufatura, uma inclusão natural do material, como exemplificado no desenho esquemático a seguir.

Identifique a opção que fornece CORRETAMENTE E EM SEQUÊNCIA DE OCORRÊNCIA as etapas do fenômeno da fratura por fadiga.

  1. Concentrador de tensões, propagação da trinca, iniciação da trinca (nucleação) e fratura do material.
  2. Concentrador de tensões, propagação da trinca, fratura do material e iniciação (nucleação) da trinca.
  3. Concentrador de tensões, propagação inicial da trinca, propagação da trinca e fratura do material.
  4. Concentrador de tensões, iniciação (nucleação) da trinca, propagação da trinca e fratura do material.
  5. Concentrador de tensões, fratura do material e iniciação (nucleação) da trinca e propagação da trinca.
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Passo 1

A sequência de uma falha por fadiga é:

  1. Presença de um concentrador de tensões.
  2. Iniciação ou nucleação da trinca de fadiga.
  3. Propagação da trinca de fadiga, formando as estrias ou as marcas de praias.
  4. Ruptura final do material, quando a área sem a trinca não suporta mais o carregamento imposto.

Resposta

Letra: d)

Exercício Resolvido #5

Elaboração própria

O que são estrias de fadiga?

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Passo 1

As estrias são marcas microscópicas características de um fratura por fadiga. Porém, nem sempre conseguimos visualizar no microscópio as estrias pois elas não estão presentes em aços de elevada resistência, devido à baixa ductilidade. Cada vez que a trinca é aberta por uma tensão trativa com magnitude suficiente, a ponta da trinca deforma-se plasticamente abrindo a sua ponta em escala microscópica. Isto causa o avanço da fratura, criando a estria aparente na superfície de fratura. Dentro de duas marca de praia pode existir milhares de estrias. A figura abaixo mostra estrias em corpos de provas de ensaio de fadigo de alumínio.

Resposta

Exercício Resolvido #6

Lista Estácio

Durante a propagação da trinca por fadiga, duas morfologias superficiais surgem em alguns materiais, como mostrado na figura abaixo.

Identifique a opção que fornece denominação CORRETA dessa morfologia.

  1. Marcas de praia.
  2. Marcas de deformação.
  3. Estrias.
  4. Marcas de fadiga.
  5. Ondulações.
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Passo 1

Em uma fratura por fadiga podemos identificar duas morfologias superficiais: uma relacionada com a etapa de propagação da trinca, que são as marcas de praia e um relacionada com a fratura do material, isto é, aspecto da superfície que sofreu a fratura dúctil ou frágil, dependendo do carregamento e do material.

Resposta

Letra: a)

Exercício Resolvido #7

Perito criminal – Engenharia Mecânica - 2017

Analise as seguintes assertivas sobre falha em materiais:

I. A região de uma superfície de fratura que se formou durante a etapa de propagação de uma trinca pode ser caracterizada por dois tipos de marcas, denominadas marcas de praia e estrias.

II. As trincas nos materiais dúcteis são instáveis, ou seja, uma vez iniciada, a trinca continuará a se propagar espontaneamente sem aumento no nível de tensão.

III. Uma medida que pode ser tomada para estender a vida em fadiga é a imposição de tensões residuais de compressão na superfície por jateamento.

IV. Na maioria dos materiais dúcteis, a trinca frequentemente se propaga por clivagem – quebra de ligações atômicas ao longo de um plano cristalino específico.

Quais estão corretas?

  1. Apenas II.
  2. Apenas I e III.
  3. Apenas I, II e III.
  4. Apenas I, II e IV.
  5. I, II, III e IV.
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Passo 1

Segue os erros dos itens:

As trincas nos materiais frágeis são instáveis, ou seja, uma vez iniciada, a trinca continuará a se propagar espontaneamente sem aumento no nível de tensão.

Na maioria dos materiais frágeis, a trinca frequentemente se propaga por clivagem – quebra de ligações atômicas ao longo de um plano cristalino específico.

Resposta

Letra: b)

Exercício Resolvido #8

Lista Prof. Juliano Toniolo

Qual a possível relação entre resistência mecânica e limite à fadiga de um metal? Porquê?

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Passo 1

A fadiga é a falha que ocorre em estruturas submetidas a tensões dinâmicas e flutuantes e que fatores como poros e irregularidades podem agir como concentradores de tensões, facilitando a falha, é possível relacionar o aumento de resistência mecânica de materiais provocado pelo aumento das discordâncias (quanto maior o numero de discordâncias maior a dureza) com o redução do limite à fadiga da peça. Sendo assim, conclui-se que materiais com propriedades mecânicas (dureza) superiores possuem menor limite a fadiga.

Resposta

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