aula02 fratura dos materiais

...fratura frágil em geral é aproximadamente perpendicular à tensão de tração aplicada e produz uma superfície relativamente plana e brilhante. u Nos materiais cristalinos corresponde à quebra sucessiva das ligações atômicas ao longo de um plano cristalográfico característico, chamado plano de clivagem. u Este modo de fratura é característico de metais que apresentam algum impedimento para o escorregamento de discordâncias alta resistência mecânica Clivagem em aço Maraging 300M Clivagem em cerâmica (TiB2) 4 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Fratura frágil intergranular u Ocorre quando o contorno de grão apresenta resistência mecânica menor que a matriz Precipitados frágeis no contorno ou estruturas cristalinas complexas u A trinca caminha ao longo dos contornos de grão, revelando o seu formato tridimensional Fratura intergranular em aço Fratura intergranular em alumina com 99,4% de pureza Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Fratura frágil em materiais amorfos u Dois estágios: nucleação e propagação da trinca bifurcação da trinca (a) Representação esquemática dos processos de nucleação e de propagação da trinca em um material cerâmico. (b) Na experiência ao lado um martelo atingiu a placa espessa de vidro com velocidades diferentes (V1V2V3V4). Nota-se o aumento da taxa de bifurcação com o aumento da energia cinética transferida. 5 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Fratura frágil em materiais amorfos (a) Aspecto da fratura em uma amostra de poliéster com elevada taxa de ligações cruzadas. (b) Representação esquemática da superfície de fratura indicando a nomenclatura utilizada. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Mecânica da Fratura Ramo da Ciência dos Materiais que busca a compreensão dos mecanismos da fratura, quantificando as relações entre as propriedades dos materiais, tensões aplicadas, defeitos que induzem trincas e mecanismo de propagação das trincas 6 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Concentradores de tensão u Irregularidades na forma de um componente perturbam o campo de tensão de um componente, amplificando o mesmo em suas proximidades concentradores de tensão Exemplos de concentradores de tensão: Riscos, entalhes, cantos vivos, mudanças de seção no componente A figura ao lado representa esquematicamente o efeito de um entalhe sobre o campo de tensões de um componente submetido à tração. Note que a separação entre as linhas diminui nas proximidades da ponta do entalhe, indicando que a intensidade da tensão é maior neste ponto. Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Concentração de tensões A tensão teórica necessária para romper as forças de ligação entre os átomos é da ordem de E/10 (E é o módulo de rigidez). Medidas experimentais fornecem valores entre E/10.000 e E/100. Para explicar esta discrepância Griffith sugeriu que defeitos no material agem como microtrincas intensificando localmente a tensão microscópica aplicada. Um defeito elíptico de comprimento 2a e raio da ponta ?t a tensão aplicada ?0 dá origem a uma tensão ?m na ponta do defeito tal que: sm=2 s0(a/ rt )1/2 7 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 O critério de Griffith u Quando uma trinca de comprimento 2a se forma, a tensão elástica agindo sobre o material relaxa liberando uma energia UE=(p.a2.?2)/E (para uma espessura unitária da amostra) em compensação é despendido um trabalho de criação de duas novas superfícies livres de US=4.a.g onde g é a energia de superfície. A energia total é UT=UE + US u Griffith propõe que a trinca cresce espontaneamente apenas se um aumento infinitesimal ?a na trinca provocar uma variação nula ou negativa na energia a ela associada, ou seja: ?UT/?a ?(UE + US )/?a 2 (p.a2.?2)/E +4 g 0 s=(2 g E/p.a)1/2 u o critério de Griffith pressupõe que o raio na ponta da trinca seja fino o suficiente para que a tensão local exceda a energia de coesão do material Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Tenacidade à fratura Existem três geometrias de abertura de trinca A mais fácil de ser entendida e tratada é o modo I. Para o modo I e utilizando hipóteses de comportamento linearmente elástico (hookeano), pode-se obter um fator de intensificação de tensões K relacionando a tensão aplicada s ao comprimento 2a de uma trinca pré-existente K=Y. s (p. a)1/2 onde Y é um parâmetro adimensional que depende do tamanho e geometria do sistema. 8 Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Escola Politécnica USP PMT 2200 Tenacidade à fratura Se a tensão s for a tensão crítica sC para propagação de uma trinca de Griffith, então teremos um fator de intensificação da tensão crítica: KIC= Y sC (pi.a)1/2 (no modo I de solicitação). Para co...

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