Transição dúctil-frágil

Teoria Completa

Fala pessoal! Tudo tranquilo?

Bom, a figura acima é de um navio-tanque que fraturou de maneira frágil como resultado da propagação de uma trinca ao redor do casco. Notou-se na época que esse tipo de fratura tinha maior incidência nos meses de inverno.

Mas por que o navio sofreu uma fratura frágil no inverno?

Bom, para respondermos essa pergunta precisamos entender o que é uma transição dúctil-frágil.

Ao pé da letra, a transição dúctil-frágil está relacionada com a dependência da absorção da energia de impacto em relação à temperatura, assim haverá uma dependência do comportamento em fratura do material dependendo da temperatura.

Com a finalidade de traçarmos o gráfico da energia de impacto em função da temperatura, e assim determinarmos a temperatura de transição dúctil-frágil, realizamos o ensaio de Charpy no material.

O ensaio de Charpy consiste em preparamos um corpo de prova com um entalhe em “V” como da figura abaixo.

O equipamento consiste em um martelo pendular balanceado, que transmite a carga como um impacto instantâneo. O martelo é liberado de uma altura inicial h 0 pré-definida, causando a ruptura do corpo de prova pelo efeito da carga instantânea. Após o impacto, o martelo retorna a uma altura final h f . A diferença entre a altura inicial e a altura final é a energia de impacto absorvida pelo corpo de prova.

Realizando o ensaio a partir de várias temperaturas é possível traçar a curva da energia de impacto versus a temperatura.

Vimos que uma fratura frágil ocorre com a absorção de pouca energia, ao passo que uma fratura dúctil absorve muita energia e é através desses mecanismos que conseguimos definir a temperatura de transição dúctil-frágil.

Note que a transição dúctil-frágil não é uma única temperatura, mas sim uma faixa de temperatura na qual o material vai mudando seu comportamento.

Alternativamente, a aparência da superfície de falha serve como indicativo da natureza da fratura, e pode ser usada para determinar a temperatura de transição. Para a fratura dúctil, essa superfície parece fibrosa ou opaca. De maneira contrária, as superfícies totalmente frágeis possuem uma textura granular (brilhosa), ou com características de clivagem. Ao longo da transição dúctil-frágil, haverá características de ambos os tipos de fratura.

A figura abaixo é uma fotografia de superfícies de fratura de corpos de prova Charpy com entalhe em “V” de aço A36 ensaiados nas temperaturas indicadas (em °C)

Note que a 59°C a superfície de fratura possui textura granular (brilhosa), característica de uma fratura frágil. Já a 79°C a superfície da fratura parece fibrosa ou opaca, característica de uma fratura dúctil. Observe que entre duas temperaturas citadas acima, há uma mistura de características.

Retomando a pergunta do inicio do texto, nota-se que o navio sofreu uma fratura frágil no inverno, pois é neste período onde temos menores temperaturas. Muito provavelmente no conhecimento da época não havia o entendimento do comportamento dúctil-frágil de alguns metais. Muitos aços apresentam pequenos valores de energia a baixas temperaturas, as quais se elevam à medida que a temperatura aumenta, em um regime de transição, até atingir um patamar para altas temperaturas. Portanto, uma operação segura de um componente ou estrutura somente é possível se a temperatura de operação estiver acima do regime de transição.

Vamos praticar uma pouco?

Expandir

Exercício Resolvido #1

Petrobras - 2014

A temperatura de transição dúctil-frágil pode ser obtida experimentalmente através de vários ensaios mecânicos, como, por exemplo, o ensaio Charpy. O ensaio Charpy e a temperatura de transição obtida, no entanto, apresentam limitações bastante importantes para um emprego mais generalizado.

Dentre essas limitações, destaca-se a seguinte:

  1. A energia absorvida para causar a fratura não depende da temperatura.
  2. A energia absorvida na condição frágil é maior do que na condição dúctil.
  3. A energia absorvida depende das dimensões do corpo de prova.
  4. A energia absorvida independe das dimensões do corpo de prova.
  5. A temperatura de transição independe das dimensões do corpo de prova.
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Passo 1

Os erro estão em destaque:

  1. A energia absorvida para causar a fratura depende da temperatura.
  2. A energia absorvida na condição frágil é menor do que na condição dúctil.
  1. A energia absorvida depende das dimensões do corpo de prova.
  2. A temperatura de transição depende das dimensões do corpo de prova.

A temperatura de transição é bastante influenciada pelo tamanho do corpo de prova, geometria do entalhe, composição química do metal e tamanho de grão ferrítico. Os metais de estrutura cúbica de faces centradas (cfc), como por exemplo os aços inoxidáveis austeníticos, oferecem maior resistência à fratura por clivagem, e por isso não apresentam mudança brusca de comportamento.

Resposta

Letra: c)

Exercício Resolvido #2

Concurso PC - 2013

Considere que corpos de prova para realização de ensaio de impacto Charpy, bem como corpos de prova para ensaio de tração uniaxial foram extraídos da região do centro da espessura de duas chapas de aço-carbono de mesma espessura, mesma composição química e com 0,20% de carbono. Essas chapas foram autenitizadas em temperaturas diferentes e ambas foram submetidas à mesma velocidade de resfriamento (ao ar tranquilo). Uma das chapas apresentava granulação grosseira e a outra granulação bem fina. Todos os corpos de prova foram extraídos das chapas segundo a mesma orientação em relação à direção de laminação. Os corpos de prova de impacto foram ensaiados em diversas temperaturas entre -40ºC e 20ºC para determinação da temperatura de transição dúctil-frágil e os de tração foram ensaiados na temperatura de 20ºC. A análise dos resultados obtidos mostra, muito provavelmente, que o aço de granulação fina apresenta, em relação ao aço de granulação grosseira:

  1. menor ductilidade no ensaio de tração.
  2. maior temperatura de transição dúctil-frágil.
  3. menor energia de impacto Charpy quando testados a -40ºC
  4. maior módulo de elasticidade medido no ensaio de tração.
  5. maior tenacidade nas diversas temperaturas.
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Passo 1

Quando refinamos o grão, isto é, granulação fina, aumentamos tanto a resistência do material quanto a tenacidade dos aços em todas temperaturas.

Resposta

Letra: e)

Exercício Resolvido #3

Concurso 2012

Um oleoduto precisa ser substituído numa região em que a temperatura no inverno mais rigoroso chega a -15 °C. A empresa possui condições de escolher aços de quatro fabricantes distintos. Todos os aços apresentam características de resistência mecânica, limite de escoamento, deformação e energia de impacto Charpy na temperatura ambiente (valor mínimo Ea), dentro dos limites impostos pelo projeto. No entanto, as curvas de energia de impacto Charpy, em função da temperatura do corpo de prova, apresentam comportamentos bem distintos, conforme mostrado na figura a seguir.

  1. Aço D
  2. Aço C
  3. Aço A
  4. Aços A e B
  5. Aços A, B e C
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Passo 1

Para a temperatura que o oleoduto irá trabalhor de - 15 ° C precisamos escolher um material que esteja fora da transição dúctil-frágil e no patamar dúctil e a única opção que atende os dois requisitos é o aço C.

Resposta

Letra: b)

Exercício Resolvido #4

Lista UFPE - 2015

Sobre as máquinas e os ensaios de impacto Charpy e Izod, é incorreto afirmar que:

  1. esses ensaios têm como objetivo avaliar a resistência ao impacto de um material em diferentes temperaturas e conhecer o tipo de fratura ocorrida no ensaio, avaliando e classificando-a como dúctil ou frágil.
  2. a temperatura na qual é conduzido o ensaio de impacto (Charpy ou Izod) não tem influência no resultado do teste.
  3. o ensaio é utilizado para avaliar se um dado material apresenta transição do tipo dúctil-frágil.
  4. esses tipos de ensaios passaram a ser mais utilizados após a segunda guerra mundial devido à ocorrência de fratura frágil em estruturas metálicas, tais como pontes e navios.
  5. aços de baixo carbono, como os utilizados em estruturas metálicas e em cascos de navios, podem apresentar comportamento frágil em função da temperatura.
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Passo 1

Somente a letra (b) está incorreta:

A temperatura na qual é conduzido o ensaio de impacto (Charpy ou Izod) tem influência no resultado do teste.

Resposta

Letra: b)

Exercício Resolvido #5

Concurso (adaptado)

No ensaio de resistência ao choque, usando um corpo de prova do tipo Charpy, têm-se o golpe do martelo desferido e a forma do entalhe, respectivamente,

  1. na face oposta ao entalhe, e em forma quadrada
  2. na face oposta ao entalhe, e em forma de “buraco de fechadura”
  3. na face oposta ao entalhe, e em forma de “V”
  4. na mesma face do entalhe, e em forma de “buraco de fechadura”
  5. na mesma face do entalhe, e em forma de “V”
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Passo 1

O ensaio de Charpy o corpo de prova fica posicionado com face do entalhe, em forma de “V”, oposta a face onde o martelo impacta. Já o ensaio Izod a face do entalhe fica do mesmo lado do que a face que o martela impacta e neste ensaio somente um lado é fixado.

Resposta

Letra: c)

Exercício Resolvido #6

Concurso (adaptado)

Os ensaios Charpy e Isod são ensaios de impacto utilizados para avaliar as condições de absorção de energia dos materiais. Neste sentido, a unidade de medida destes ensaios é o:

  1. kg.
  2. J.
  3. m/s.
  4. kg/s.
  5. J.m/s 2 .
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Passo 1

Ambos os ensaios medem a energia absorvida através da seguinte equação:

W f = m g h i - h f

em que m é a massa do pendulo em k g , g é a aceleração da gravidade em m / s 2 e h i e   h f são, respectivamente, a altura inicial do pendulo e a altura final do pendulo após o impacto, ambas em m . Asssim:

W f = k g ∙ m s 2 ∙ m = k g ∙ m s 2 ∙ m = N ∙ m = [ J ]

Portanto a unidade de medido do ensaio é Joule [ J ] .

Resposta

Letra: b)

Exercício Resolvido #7

Petrobras - 2014

O ensaio Charpy de três materiais, M, N e P, encontrou como resultado os valores de média e desvio padrão 100 ± 20J, 80 ± 20J e 100 ± 25J, respectivamente.

O(s) material(ais) cujo(s) resultado(s) apresenta(m) os valores com a menor dispersão, em termos relativos ao seu valor médio, é(são)

a) somente o material M

b) somente o material N

c) somente o material P

d) os materiais M e N

e) os materiais M e P

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Passo 1

Um das medidas de dispersão estatística é o desvio padrão, logo o material que apresentou a menor dispersão foi o M.

M → a p r e s e n t o u   u m a   d i s p e r ç ã o   d e 20 100 = 20 %

N → a p r e s e n t o u   u m a   d i s p e r ç ã o   d e 20 8 0 = 25 %

P → a p r e s e n t o u   u m a   d i s p e r ç ã o   d e 25 10 0 = 25 %

Resposta

Letra: a)

Exercício Resolvido #8

Petrobras - 2011

Observando os resultados dos ensaios Charpy para diferentes aços-carbono em função da temperatura, relacione os metais I, II e III, expostos na figura acima, com algumas das características apresentadas abaixo.

P - Tem o maior teor de carbono em relação aos demais.

Q - Tem o menor teor de carbono em relação aos demais.

R - É o mais frágil a 0 o C.

S - É o mais dúctil a 0 o C.

T - Alcança a menor altura após o impacto em relação aos demais.

A relação correta é

a) I – Q e T ; III – P e R.

b) I – Q , S e T ; III – P e R.

c) I – P e R ; II – T ; III – Q e S.

d) I – P e R ; III – Q, S e T.

e) I – P e T ; II – S ; III – Q e R.

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Passo 1

Em um ensaio de Charpy quanto menor a altura alcança após o impacto h j maior será a energia final, como podemos notar na equação abaixo:

W f = m ∙ g ∙ h i - h j

em que m é a massa do pendulo em k g , g é a aceleração da gravidade em m / s 2 e h i e   h f são, respectivamente, a altura inicial do pendulo e a altura final do pendulo após o impacto, ambas em m .

Logo, I - T .

Passo 2

Conforme, podemos notar na figura abaixo, quanto maior o teor de carbono menor será a energia final ( W f ) .

Assim, I I I - P e I - Q

Passo 3

Analisando a figura notamos que I I I é mais frágil a 0 ° C , isto é, I I I - R .

Passo 4

Em resumo temos:

I - T   e   Q

I I - S

I I I - P   e   R

Das alternativas a correta é a letra (a).

Resposta

Letra: a)

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