Aula de comportamento mecânico de materiais

1. SMM 0328 –
Comportamento Mecânico
dos Materiais
Prof. Dr. Marcelo Paes

2.  Prof. Marcelo
 Engenheiro Químico-Materiais (USP/EEL);
 Mestrado Engenharia de Materiais (UNICAMP);
 Doutorado Engenharia de Materiais (UNICAMP);
 20 anos de experiência na indústria automotiva e metalúrgica
(engenharia de processos, qualidade e produto);
 21 anos de experiência como professor universitário em
graduação e pós-graduação;
 Áreas de atuação: Metalurgia Física, Transformação de fases,
Comportamento Mecânico, Mecânica da Fratura e Fadiga.

3.  Metodologia:
 Aulas teórica-expositivas (2hs aula/Semana)
 Dúvidas:
 Aluno PAE:
 Prof. Marcelo: mpaes@usp.br

4.  Programa da disciplina
 Apresentação da disciplina.
 Ensaios mecânicos primários (Dureza, Impacto, Tração, Torção, Flexão).
 Mecânica da Fratura.
 Fadiga S-N.
 Fadiga S-N Fatores Modificadores.
 Modelos de Fadiga, Efeito de Entalhe, Fadiga de Baixo Ciclo.
 Propagação de Trincas por Fadiga.
 Corrosão-Fadiga.
 Fluência.

5. •DOWLING, NORMAN E. –Mechanical Behavior of Materials, Engineering Methods for
Deformation, Fracture and Fatigue.
•ANDERSON, T. L. –Fracture Mechanics–Fundamentals and Applications, Second Edition, CRC
Press, NY, 680p.
•MEYERS, M.A.;CHAWLA K.K. –Mechanical Behavior of Materials, N.J.:Prendice Hall,
1999.680p.
•DIETER,GEORGE –Metalurgia Mecânica
•HERTZBERG, R.W. –deformation and fracture mechanics of engineering materials. John Wiley&
Sons, Inc., 1989.
•FUCHS, H. O. & STEPHENS, R. I. -Metal fatigue in engineering. New York, John Wiley, 1980.
318p
Referências

6. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Siglos Moeda Persa
Fratura do punção
de bronze
Leonardo da Vinci
Pioneiro no estudo
de laminação
Estudou a
influência do
comprimento do
arame na
resistência à fratura

7. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Réaumur em 1722, estuda e reconhece a estrutura de ferro pudlado através de
fratura intergranular.
Primeiro exemplo de um
trabalho combinando
observação, planejamento
de experimentos e teoria
na melhor tradição da
ciência aplicada
* Ferro pudlado: produto da fabricação
do aço no estado semi sólido rico em C,
agitado ao ar para redução do teor de
carbono

8. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Réaumur aqueceu apenas uma das extremidades da barra de aço e temperou–o
e fraturou – o para estudar a microestrutura
Concluiu que quanto menos
espaços vazios, mais duro
seria o aço, ou seja, menor o
tamanho de grão, maior
resistência!

9. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Séc.XVIII Henry Cort: redução direta em fornos de pudlagem(Puddle-argila);
Produto: Ferro pudlado (escórias, inclusões).
Trincas de iniciam ao longo
das inclusões não metálicas.

10. QUAL A IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DO
COMPORTAMENTO MECÂNICO NA PRESENÇA DE
TRINCAS?
QUAL A IMPORTÂNCIA DO ESTUDO DE FRATURA E DO
DESENVOLVIMENTO DA MECÂNICA DE FRATURA?

11. Introdução – Titanic Abril/2012
APÓS TITANIC
 Desenvolvimento da Mecânica de
Fratura
 Desenvolvimento dos ensaio de
ultrassom

12. Introdução – Titanic Abril/2012
Desconhecimento da Mecânica da Fratura:
• Temperatura de transição frágil–dúctil é levantado com corpo de prova de
impacto.
• Baseados nisso aumentaram a espessura das chapas para construção no navio
(50mm) – maior espessura – estado plano de tensões passa para estado plano de
deformações – aumenta a criticidade do estado triaxial de tensões – reduz
tenacidade à fratura (KIC )
.

13. Introdução – Titanic Abril/2012

14. Introdução – Titanic Abril/2012
Pela composição química, a
baixa relação Mn/S leva a
Formação de mais MnS, o que
aumenta a fragilidade e
aumenta a temperatura de
transição frágil - dúctil
Inclusão de sulfeto de
manganês (MnS)
MEV casco Titanic

15. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Navio tanque S.S. Schenectady (série Liberty 1943)
sofreu fratura catastrófica no porto
•Utilização de máquinas automáticas de
soldagem (experimental);
•Cordões de solda defeituosos
(concentradores de tensão);
•Cruzamento de cordões de solda
(concentrador de tensão);
•Como consequência, aumento da
temperatura de transição dúctil-frágil e
redução da tenacidade à fratura.

16. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Mais de 90% dos casos de falha ocorrem por
mecanismos de fadiga:
•Fadiga mecânica;
•Fadiga Térmica;
•Fadiga termomecânica;
•Fadiga em alta temperatura;
•Corrosão-fadiga e outros mecanismos combinados.

17. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Aviões da Havilland 1954 - 1º avião comercial a jato
Modelo Comet
https://www.facebook.com/aeroportrasdaaviacao/videos/o-avi%C3%A3o-
que-explodia-em-voo/3072163969676949/

18. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas

19. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
COMET-TRINCAS QUE LEVARAM À FRATURA.
A análise de falhas :
A fratura ocorreu devido à compressão e descompressão, no pouso e decolagem,
causando a nucleação de trincas de fadiga em pontos de concentração de tensão,
próximo às extremidades das escotilhas retangulares. A cabine era pressurizada com
pressões duas vezes maiores que a dos outros aviões(56,9kPa)

20. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Em 1986, um acidente deixou o mundo em choque, com a morte de sete
tripulantes. O ônibus espacial Challenger explodiu 73 segundos após o
lançamento, em sua décima missão. A análise da falha mostrou que a
temperatura na hora e local do lançamento (~2ºC) contribuiu para fragilizar um
anel de vedação na parte inferior de um dos foguetes permitindo o contato
entre as chamas e o combustível.

21. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Boeing 737 da Aloha Airlines (28 de abril de 1988) Havaí:
•Avião com 19 anos de uso, nivelou a 7000 metros, quando o teto da primeira
classe desapareceu formando um buraco de 6 metros na fuselagem acima e ao
lado da fileira de assentos;
•Uma comissária, de pé no corredor, foi sugada para fora.
Causa: Corrosão por fadiga

22. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Acidente com Ayrton Senna na fórmula1, em 1994, causado, ao que tudo indica, pela
fratura por fadiga de uma emenda soldada da barra de direção.

23. Introdução – Histórico Estudo de Fraturas
Situações onde a fratura é bem vinda
SKYLAB –1973-1979
1ª estação espacial americana
MIR – 1986-2001 (URSS)
1ª estação espacial humana

24. Introdução
O estudo da fratura tornou-se tão importante que os cientistas da época achavam que seria
necessário o aprofundamento das investigações nesta área, em direção ao mecanismo de fratura em
nível atômico. A partir de uma reunião no MIT(Massachusets Institute of Technology), em 1957, de
um seleto e pequeno grupo de cientistas, foi elaborado um encontro internacional. Assim, entre 12 e
16 de abril de 1959, ocorreu a Conferência Internacional sobre Mecanismos Atômicos de
Fratura, sediado em Swampscott, Massachusetts, na New Ocean House.

25. Introdução – Modelos Atomísticos
A energia superficial de fratura
(ɣ) relaciona-se com a tensão
necessária para a fratura (σmax),
em nível atômico, pela
equação:
Onde:
E...é o módulo de Young
a... é a distância interatômica sem
deformação

26. Introdução – Modelos Atomísticos
Loop de linhas de discordâncias
formadas durante fratura por
impacto
Loop de discordâncias formada na
fragilização por hidrogênio e
fragilização por radiação
Nucleação de trinca
em loop de
discordâncias (MET)

27. Introdução - Fratura
“É a separação ou fragmentação de um corpo sólido em duas ou mais partes
sob ação de uma tensão, devido ao início e propagação de uma trinca”
Fratura
Frágil Dúctil
Fatores
que
afetam
a fratura
Temperatura
Taxa
deformação
Estado de
tensão

28. Introdução - Fratura
Condições
de fratura
Tração
Torção
Fadiga
Fluência
Fragilização
H2/T.To

29. Introdução – Fratura Frágil
Fratura
frágil
Baixa
Temperatura
Alta taxa
deformação
Estado
triaxial de
tensão
Fratura frágil
- É caracterizada por uma ou mais trincas diretas na
estrutura.
- Pouca ou nenhuma deformação.
- A trinca se propaga pelo caminho de menor
resistência.
- Observada em monocristais e materiais
policristalinos.
- A fratura frágil tem aparência brilhante enquanto a
fratura dúctil tem aspecto escuro e acinzentado.

30. Introdução – Fratura Frágil
•A clivagem ocorre na direção cristalográficas dos planos;
•Observada em metais com estrutura CCC e HC não em metais CFC;
•As faces de clivagem aparecem grãos com alta reflexividade, que dão
um aspecto de fratura brilhante.
Transgranular

31. Introdução – Fratura Frágil
Intergranular
Ótico
MEV

32. Introdução – Fratura Dúctil
Fratura dúctil
em metal
muito dúctil
(Au, Pb)
Monocristal
Monocristal: não há nucleação de trincas,
os cristais deformam plasticamente até
iniciar a instabilidade plástica,
empescoçamento.
- A deformação é concentrada na região
de instabilidade plástica até a separação
cristalina ao longo de uma linha ou um
ponto.
Policristal
Policristal (Fratura Taça-Cone): O
empescoçamento leva a um estado
triaxial de tensões e a trinca nucleia em
partículas frágeis (formação de vazios
na interface matriz-partícula).
Aspecto: escuro e acinzentado

33. Introdução – Exemplo: Falha em um tubo
Falha Dúctil:
- um pedaço
- grande deformações
Falha Frágil:
- vários pedaços
- pouca deformação
V.J. Colangelo and F.A. Heiser, Analysis of Metallurgical Failures(2nd ed.), Fig. 4.1(a)
and (b), p. 66.

34. Introdução – Histórico da Mecânica da Fratura
•1913-Inglis desenvolve o modelo de tensões para um furo circular (rebites) e
percebe que se o fizer elíptico-similar a trinca;
•1920-Griffith –Teoria da fratura para vidros:
"uma trinca se propagará quando a diminuição da energia de deformação
elástica é pelo menos igual à energia requerida para criar a nova superfície da
trinca".
•1945-Orowan aperfeiçoa a teoria introduzindo uma componente plástica;
•1956-1957-Irwin propõe uma taxa crítica (G) de variação da energia potencial
por unidade de área da trinca (dA=da.t), ou seja, a força motriz;
•Surge o conceito “tenacidade à fratura” para designar diferentes parâmetros
que mostram como a presença de uma trinca afeta a resistência mecânica de
um material.

35. Introdução – Histórico da Mecânica da Fratura
•Antes do desenvolvimento da Mecânica da Fratura nos anos de 1950–1960, a
análise de trincas em componentes ou estruturas não era possível;
•O projeto era baseado em resultados de ensaios de tração, flexão e compressão,
conjuntamente com os critérios apresentados para corpos sem trincas (Mecânica
dos sólidos);
•A evolução da Mecânica de fratura é a Mecânica de Integridade Estrutural.

36. FIM