É crucial que engenheiros e projetistas entendam a mecânica por trás das fraturas de materiais para garantir que os materiais selecionados tenham o desempenho pretendido em seu determinado ambiente.
Quase todas as estruturas de engenharia, de engrenagens e válvulas a edifícios e pontes, devem ser projetadas para funcionar com segurança e eficiência. A falha até mesmo do menor componente pode ter consequências desastrosas.
A chave para evitar falhas geralmente começa com a compreensão dos conceitos por trás da fratura do material. Portanto, é essencial que os engenheiros projetistas tenham conhecimento adequado sobre fratura de materiais e mecânica da fratura.
O que é uma fratura de material?
A fratura é a separação de um material em duas ou mais partes sob a ação de uma tensão aplicada. Um material pode sofrer um dos dois tipos principais de modos de fratura, dependendo de suas propriedades mecânicas: dúctil e frágil.
Os materiais que sofrem fratura dúctil primeiro experimentam deformação plástica, ou seja, o material resiste à fratura ao ser esticado. Imagine puxar as duas pontas de um saco plástico. A bolsa estica um pouco antes de finalmente quebrar. Essa deformação plástica, que não se limita aos polímeros, também é observada em ligas metálicas.
Materiais que sofrem fratura frágil, por outro lado, irão fraturar com deformação plástica desprezível. Em outras palavras, eles quebram sem avisar.
Independentemente do tipo de fratura, durante a falha, um material experimentará:
- Rachaduras, onde todas as fraturas começam, e
- Propagação de trincas em resposta ao estresse aplicado
Nas fraturas dúcteis, essa trinca é estável, ou seja, sofrerá deformação contínua, propagando-se apenas quando mais tensão for aplicada. Como tal, os materiais dúcteis normalmente sofrerão uma deflexão significativa antes da falha, dando um aviso antes de quebrarem completamente.
Por outro lado, quando as trincas são formadas por fratura frágil, elas se propagam instantaneamente através do material; portanto, a falha pode ocorrer com pouco ou nenhum aviso. Esta é uma das características que torna a falha frágil tão indesejável, especialmente em aplicações como a construção civil. (Mais informações em Os efeitos da concentração de tensão na propagação de trincas.)
Nas seções a seguir, vamos nos aprofundar na mecânica desses dois tipos de fraturas e examinar algumas das formas mais comuns pelas quais os materiais são testados quanto à fratura em um ambiente de laboratório.
A mecânica da fratura frágil e dúctil
Fratura dúctil (fratura em taça e cone)
A maioria dos metais e ligas metálicas são dúcteis por natureza. Uma das principais características da fratura dúctil é um fenômeno conhecido como estricção. Durante a estricção, a seção transversal do material é gradualmente reduzida antes que ocorra a fratura. As extremidades separadas do material fraturado assumem uma forma côncava e convexa. Portanto, a fratura dúctil é comumente chamada de fratura em taça e cone. As etapas na formação da taça e do cone são:
- O material dúctil sofre estricção.
- Microvazios começam a se formar perpendicularmente à direção da tensão
- Os microvazios se juntam para formar uma rachadura.
- A rachadura se espalha
- O material eventualmente fratura (um copo e um cone são formados na parte superior e inferior, respectivamente)
fratura por fragilidade
Na fratura frágil não se observa nenhuma deformação apreciável, pois a propagação da trinca é instantânea. Essa propagação é quase puramente perpendicular à direção da tensão de tração, em comparação com a fratura dúctil, que produz formas em forma de xícara e em forma de cone.
Embora a fratura frágil tenha uma forma distinta, diferentes materiais podem exibir características únicas. Por exemplo, em aço frágil, as marcas em forma de V geralmente estão localizadas no centro da seção transversal fraturada. Por outro lado, para materiais amorfos como vidros cerâmicos, a superfície da seção transversal fraturada pode ter uma aparência lisa e brilhante.
Fatores que afetam a fratura de um material
Os engenheiros devem entender a mecânica de diferentes tipos de fraturas para informar a seleção de materiais e mitigar possíveis falhas catastróficas. Alguns dos fatores críticos que afetam a fratura do material incluem:
concentrações de tensão
Para a maioria dos materiais frágeis, a resistência à fratura medida é muito menor do que o valor teórico previsto com base nas energias de ligação atômica no material. Isso se deve à presença de trincas microscópicas e outros defeitos na seção transversal do material. Esses geradores de estresse portanto, deve ser levado em consideração ao calcular a resistência à fratura. (Leitura relacionada: Cálculo da tensão de tração: por que deve ser feito agora.)
A localização da carga aplicada também deve ser levada em consideração. Considere um material cilíndrico com uma trinca alongada (defeito) em sua seção transversal. A tensão máxima que pode suportar antes da fratura é medida na ponta da trinca e depende da tensão aplicada e das propriedades físicas da trinca. No entanto, aplicar a carga longe da trinca pode alterar a tenacidade à fratura medida.
tenacidade à fratura
A tenacidade à fratura é a resistência de um material ao estresse aplicado quando há uma trinca. Este parâmetro depende de:
- A tensão crítica para a propagação da trinca.
- O comprimento da rachadura
- A geometria da fenda
Para amostras finas, a tenacidade à fratura também depende de sua espessura. No entanto, a tenacidade à fratura torna-se um fator menos influente em materiais espessos. (Aprenda sobre o DDiferença entre força e tenacidade.)
Como testar fraturas de impacto
Os dois testes de impacto mais comumente usados são o teste de impacto Charpy e o teste de impacto Izod.
Para realizar esses testes, um martelo é preso a um pêndulo, que aplica uma força de impacto ao corpo de prova. O martelo é primeiro levantado para sua posição inicial e depois solto, atingindo a amostra durante seu movimento para baixo. Como parte da energia do martelo é absorvida pela amostra, o pêndulo oscila em uma altura máxima menor no lado oposto. A diferença entre as alturas máximas do martelo antes e depois de impactar a amostra é usada para calcular a energia de impacto. A única diferença entre Charpy e Izod é a forma como o sample é carregado.
Conclusão
Uma fratura é simplesmente a separação de um material em vários pedaços devido a uma tensão aplicada. As fraturas são subdivididas em dois tipos principais: fraturas dúcteis e fraturas frágeis. O tipo de fratura que um material sofrerá depende principalmente de sua capacidade de deformar antes de rachar.
Para essas duas fraturas, a falha começa com a formação da trinca, progredindo para a propagação da trinca e, finalmente, a separação.
É crucial que engenheiros e projetistas entendam a mecânica por trás das fraturas de materiais para garantir que os materiais selecionados tenham o desempenho pretendido em seu determinado ambiente.