Ensaios Mecânicos dos Materiais

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1 Universidade de São Paulo Escola de Engenharia de São Carlos Departamento de Engenharia de Materiais, Aeronáutica e Automobilística Ensaios Mecânicos dos Materiais SMM0193-Engenharia e Ciência dos Materiais I Prof. Waldek W. Bose Filho 1

2 Projeto contra Fallha 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 Dútil Frágil Temperatura Fatores que afetam a fratura Taxa de deformação Estado de tensão -plano de tensões (triaxial de def.) -triaxial de tensões (plano de def.)

3 Tração Torção Fadiga Condições de Fratura Fluência Fratura frágil em Temperaturas Baixas Fragilização por Hidrogênio Fragilização no Tratamento Térmico

4 TIPOS DE TENSÕES E DEFORMAÇÕES QUE UM COMONENTE PODE ESTAR SUJEITO ou compressão Flexão 4

5 Como os metais são materiais estruturais, o conhecimento de suas propriedades mecânicas é fundamental para sua aplicação. As propriedades desejadas podem ser avaliadas pela medição: Dureza Tenacidade ao Impacto Tração e Compressão Flexão Fadiga Fluência 5

6 I. Dureza Os ensaios de dureza são largamente utilizados para a especificação de materiais. Entretanto, o conceito físico de dureza não têm o mesmo significado para todos os utilizadores desta propriedade: resistência à deformação plástica (metalurgista) resistência à penetração de um material duro no outro (eng.mecânico) uma base de medida da resistência, do T. T. ou mecânico e de sua resistência ao desgaste (projetista) resistência ao risco que um material pode fazer em outro (mineralogista) Sob este ponto de vista os ensaios de dureza podem ser divididos em três tipos principais: por penetração por choque por risco 6

7 No caso de materiais de engenharia, o terceiro caso é raramente empregado, sendo a escala Mohs (1822) a mais antiga para este tipo de dureza. Esta consiste em uma tabela de 10 minerais padrões, arranjados em ordem crescente da possibilidade de ser riscado pelo mineral seguinte. Nesta ordem, tem-se o talco (1); gipstita (2); fluorita (3) e assim por diante até chegar no diamante (10). Os dois primeiros tipos de dureza são mais empregados no ramo da metalurgia e da mecânica, sendo a dureza de penetração a mais largamente utilizada. Nesta aula, serão vistos pormenores das dureza por penetração: - Brinell, - Rockwell - Vickers, - Meyer, - Microdureza - Dureza por choque Shore. 7

8 Dureza Brinell: ASTM E10-15a Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials 1900 J. A Brinell HB Consiste de comprimir lentamente uma esfera de aço, de diâmetro D, sobre uma superfície polida e limpa de um metal através de uma carga Q, durante um tempo t. Q Q 2Q HB S.D.p 2 2 c D(D D d - Sc é a área superficial, p é a profundidade da impressão. - d deve ser tomado como a média dos valores de duas medidas realizadas a 90 uma da outra. - - A dureza HB é definida em N/mm 2. - Q = 3000 kgf d = 10 mm Tabelas No caso de metais moles ou peças pequenas existe a necessidade de diminuirse Q e d, respectivamente. Estas alterações devem obedecer certos critérios e para metais duros (> 500 kgf/mm2) pode-se substituir a esfera de aço por uma de W. 8

9 A limitação da carga e do diâmetro da esfera proposta por Brinell pode ser contornada se: sen 2 d D 1 1 d D 2 2 const. Uma aproximação pode ser feita considerando, esferas de 1, 2, 5 e 10 mm e que a relação carga aplicada e diâmetro da esfera seja uma constante: sendo K : 30 para aços, fofos, e ligas duras; 10 para ligas de Cu e ligas de Al duras; 05 para ligas de Cu, Al e ligas anti-fricção 2,5 1 para ligas de Pb, Sn e metal patente. P D 2 K

10 Existem alguns erros e limitações do ensaio: Deformação elástica Impressão distorcida e deformação da esfera Tamanho da impressão Tratamentos superficiais Planicidade das superfícies No caso dos aços existe uma relação empírica entre dureza Brinell e o limite de resistência, r, dada por: r 0,36HB Kgf mm 2 O valor de 0,36 vale para aços doces, entretanto este valor pode mudar para: 0,33 para aços T. T. 0,49 para Ni recozido 0,41 para Ni e latão encruado 0,52 para cobre recozido 0,40 para alumínio e suas ligas.

11 Dureza Meyer Meyer surgiu com uma definição mais racional da dureza do que a proposta por Brinell. Neste caso a dureza seria baseada na área projetada e não na superficial. Q 4Q P HM 2 2 r Meyer propôs uma relação empírica entre a carga e o tamanho da impressão, normalmente chamada de lei de Meyer: P k d n' d onde k e n são constantes do material relacionados respectivamente a resistência do metal à penetração e ao encruamento.

12 Dureza Rockwell: ASTM E18-15a Standard Test Method for Rockwell Hardness of Metallic Materials A dureza Rockewell simbolizada por HR, elimina o tempo necessário para a medição de qualquer dimensão da impressão causada, pois o resultado é diretamente lido na máquina de ensaio, sendo portanto rápido e livre de erros pessoais. Além disto, utilizando penetradores pequenos, permite distinguir pequenas diferenças de dureza em aços duros e materiais tratados superficialmente podem ser testados sem danos. (a) Máquina de dureza Rockwell. (b) Etapas da medição com a utilização de um penetrador cônico de diamante.

13 HR C C2 1 p C 1 e C 2 são constantes para cada escala usada (TABELADOS) e p é a diferença em milímetros de profundidade, ou seja a diferença entre a profundidade com aplicação da pré carga e a carga total

14 Dureza Vickers: ASTM E92-15a Standard Test Method for Vickers Hardness of Metallic Materials Este tipo de dureza foi introduzido em 1925, e recebeu este nome porque a Companhia Vickers-Armstrong Ltda, fabricou as máquinas mais conhecidas para fornecer este tipo de dureza. Método é baseado na penetração de uma pirâmide de base quadrada, com ângulo entre as faces opostas de 136 feita de diamante. Um esquema do penetrador é apresentado na figura abaixo: HV 2Qsen L ,8544Q 2 L [kgf/mm 2 ]

15 A seguinte relação entre a dureza Vickers e o limite de escoamento pode ser feita: HV 3 n' 2 0, e 1 onde n = n + 2 = expoente de Meyer. ANOMALIAS: VANTAGENS: escala contínua impressões pequenas precisão de medida deformação nula do penetrador apenas uma escala de dureza aplicação para toda a gama de materiais qualquer espessura (a) impressão perfeita, (b) impressão defeituosa: afundamento e (c) impressão defeituosa: aderência

16 Microdureza: ASTM E384 Standard Test Method for Microindentation Hardness of Material Muitas das aplicações da dureza Vickers está voltada para aplicações de microdureza. Assim, para determinação de profundidade de camadas cementadas, temperadas, etc, além da medição de durezas de fases ou microconstituintes podem ser feita pelo uso da microdureza. Quanto ao tipo de penetrador usado, há dois tipos de microdureza: Vickers e Knoop. A microdureza Vickers usa a mesma técnica descrita anteriormente. No caso da microdureza Knoop, o penetrador é do tipo apresentado na figura (a) comparação do tamanho de impressões Knoop e Vickers para uma mesma carga aplicada. (b) impressão Knoop em detalhes.

17 A expressão para obtenção da dureza Knoop pode ser dada como: HK Q A p Q 14,23 2 L m CUIDADOS: preparação deve ser metalográfica cargas pequenas podem resultar em recuperação elástica grande problemas de afundamento e aderência calibração frequente conversão de micro para macro dureza somente para cargas maiores do que 500gf.

18 Dureza Shore: A dureza por choque é um ensaio dinâmico que produz a impressão num corpo de prova por meio de um penetrador que bate na sua superfície plana. Esse choque pode ser produzido por meio de um pêndulo (já abandonado) ou pela queda livre de um êmbolo, tendo na ponta um penetrador. Em 1907, Shore propôs uma medida de dureza por choque que mede a altura do ressalto de um peso que cai livremente até bater na superfície lisa e plan de um corpo de prova. Esta altura de ressalto mede a perda de energia cinética do peso, absorvida pelo corpo de prova. Ainda que, o comprimento e peso do martelo, além da altura de queda e o diâmetro da ponta de diamante dependem de cada fabricante, todos os aparelhos indicam a mesma dureza para um mesmo material. A impressão Shore é pequena, o equipamento é portátil, pode executar dureza em peças grandes deve ser lisas, a escala é contínua e a norma ASTM E-448 descreve o ensaio para metais e ASTM D2240 para borracha.

19 Dureza Escleroscópica, HSc ou HSd, é um número relacionado a altura do rebote do martelo. É medido sobre uma escala determinada pela divisão em 100 unidades da média do rebote do martelo em um bloco de um aço ferramenta AISI W-5 temperado (para máxima dureza) e não temperado.

20 II. ENSAIO DE IMPACTO: ASTM E23-16b Standard Test Methods for Notched Bar Impact of Metallic Materials A fratura frágil é grandemente influenciada pelo estado de tensão, temperatura e taxa de deformação. Não necessariamente estes três fatores necessitam de se manifestarem conjuntamente para que uma falha catastrófica aconteça. Sendo assim, os ensaios que permitem avaliar a influência destes três fatores na resistência à fratura dos materiais, são de grande importância e visam principalmente correlacionar seus resultados com as fraturas ocorridas na prática e principalmente servem para evitar que aconteçam fraturas de caráter frágil do material em serviço. Normalmente, um estado triaxial de tensões (entalhes) e baixas temperaturas são os fatores principais responsáveis por ocorrência de fratura frágil. Entretanto, já que estes efeitos são acentuados em taxas de carregamento elevadas, vários tipos de testes de impacto têm sido utilizados para determinar a susceptibilidade dos materiais à fratura frágil.

21 Como existem certas desvantagens com relação a este tipo de testes (os resultados não podem ser utilizados como dados de projetos), vários outros ensaios tem sido desenvolvidos, sendo que estes utilizam o conceito da mecânica da fratura (KIC, CTOD, integral J). Estes ensaios não serão abordados na aula de hoje. O ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo de confecção dos corpos de prova, fez dele um dos primeiros e mais empregados para o estudo de fratura frágil nos metais. Dos resultados deste tipo de ensaio pode-se determinar a tendência de um material a se comportar de maneira frágil. Geralmente os corpos de prova para ensaio de impacto são de duas classes (ASTM E23). Velocidade de impacto = 5 m/s e taxa de deformação de 10 3 s -1.

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23 Uma outra medida importante obtida do ensaio Charpy se refere a observação da superfície de fratura para determinação da percentagem de fratura dútil e frágil. Superfície de fratura de corpos de prova Charpy testados a diferentes temperaturas. Da esquerda para direita temp. de ensaio em o C.

24 O ensaio de impacto é mais significativo quando realizado em um intervalo de temperatura, de maneira que pode ser determinado a temperatura. Pode ser adotado pelo menos cinco critérios para a temperatura de transição.

25 Pode ser adotado pelo menos cinco critérios para a temperatura de transição.

26 Será que todos os metais apresentam temperatura de transição dútil frágil?

27 Efeito da anisotropia

28 ENSAIO DE IMPACTO INSTRUMENTADO Os ensaios de impacto comum não fornece resultados que possam ser utilizados nos projetos de engenharia estrutural, pois não existe correspondência entre níveis de tensão e desempenho na prática. Desta forma foi desenvolvido um equipamento capaz de fornecer dados quantitativos da tensão desenvolvida durante o ensaio. Assim, o ensaio de impacto instrumentado, pode se obter um gráfico carga tempo e a partir deste gráfico tem-se a energia W 1, necessária para iniciar a trinca e a energia W p necessária para propagar a mesma.

29 Ensaio de tração uniaxial O ensaio de tração consiste na aplicação de carga uniaxial crescente até a ruptura. Mede-se a variação do comprimento como função da carga e fornece dados quantitativos das características mecânicas dos materiais; Os CPs geralmente possuem seção transversal circular ou retangular com proporções geométricas normalizadas 29

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32 Curva Típica x (tração) Liga de alumínio p e 32

33 Deformação Elástica Características Principais: A deformação elástica é resultado de um pequeno alongamento ou contração da célula cristalina na direção da tensão (tração ou compressão) aplicada; Deformação não é permanente, o que significa que quando a carga é liberada, a peça retorna à sua forma original; Processo no qual tensão e deformação são proporcionais (obedece a lei de Hooke) F=KX; Gráfico da tensão x deformação resulta em uma relação linear. A inclinação deste segmento corresponde ao módulo de elasticidade E

34 Módulo de Elasticidade (E) E E = módulo de elasticidade ou Young (GPa) α σ = tensão (MPa) ε = deformação (mm/mm) 7

35 Principais características: Quanto maior o módulo, mais rígido será o material ou será a deformação elástica; menor O módulo do aço ( 200 GPa) é cerca de 3 vezes maior que o correspondente para as ligas de alumínio ( 70 GPa), ou seja, e quanto maior o módulo de elasticidade, menor a deformação elástica resultante. O módulo de elasticidade corresponde a rigidez ou a resistência do material à uma deformação elástica. O módulo de elasticidade está ligado diretamente com as forças das ligações interatômicas

36 Comportamento não-linear Alguns metais como ferro fundido cinzento, o concreto e muitos polímeros apresentam um comportamento não linear na parte elástica da curva tensão x deformação 9

37 Módulo de Elasticidade O módulo de elasticidade é dependente da temperatura; Quanto maior a temperatura o E tende a diminuir.

38 * Polímero termoplástico ** Polímero termofixo *** Compósitos 38

39 Deformação Plástica Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste apenas até deformações de aproximadamente 0,2 a 0,5%. À medida que o material é deformado além, desse ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação (lei de Hooke) e ocorre uma deformação permanente não recuperável denominada de deformação plástica; A deformação plástica corresponde à quebra de ligações com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de novas ligações; A deformação plástica ocorre mediante um processo de escorregamento (cisalhamento), que envolve o movimento de discordâncias. 39

40 Limite de proporcionalidade e Tensão limite de escoamento O limite de proporcionalidade pode ser determinado como o ponto onde ocorre o afastamento da linearidade na curva tensão deformação (ponto P). Alongamento escoamento A posição deste ponto pode não ser determinada com precisão. Por conseqüência foi adotada uma convenção: é construída uma linha paralela à região elástica a partir de uma pré-deformação de 0,002 ou 0,2%. A intersecção desta linha com a curva tensão deformação é a tensão limite de escoamento (σ y ) 40

41 n = 0,5% = ligas não ferrosas moles n = 0,2% metais e ligas metálicas em geral n = 0,1% aços ou ligas muito duras n = 0,01% - aços molas

42 Limite de resistência à tração Após o escoamento, a tensão necessária para continuar a deformação plástica aumenta até um valor máximo (ponto M) e então diminui até a fratura do material; Para um material de alta capacidade de deformação plástica, o φ do CP decresce rapidamente ao ultrapassar o ponto M e assim a carga necessária para continuar a deformação, diminui até a ruptura final. O limite de resistência à tração é a tensão no ponto máximo da curva tensãodeformação. É a máxima tensão que pode ser sustentada por uma estrutura 14 que se encontra sob tração, ponto M.

43 Ductilidade Definição: é uma medida da extensão da deformação que ocorre até a fratura Ductilidade pode ser definida como: Alongamento percentual %AL = 100 x (L f - L 0 )/L 0 onde L f é o alongamento do CP na fratura uma fração substancial da deformação se concentra na estricção, o que faz com que %AL dependa do comprimento do corpo de prova. Assim o valor de L 0 deve ser citado. Redução de área percentual %RA = 100 x(a 0 -A f )/A 0 onde A 0 e A f se referem à área da seção reta original e na fratura. Independente de A 0 e L 0 e em geral é de AL% 43

44 Tenacidade em Tração Representa uma medida da habilidade de um material em absorver energia até a fratura; Material Frágil Pode ser determinada a partir da curva x. Ela é a área sobre a curva; Para que um material seja tenaz, deve apresentar resistência e ductilidade. Materiais dúcteis são mais tenazes que os frágeis. Material Dúctil 44

45 Resiliência Definição: Capacidade de um material absorver energia sob tração quando ele é deformado elasticamente e devolvê-la quando relaxado (recuperar); O módulo de resiliência é dado pela área da curva tensão-deformação até e o escoamento ou através da fórmula: U d Na região linear U r = y y /2 = y ( y /E)/2 = 2 y /2E Assim, materiais de alta resiliência possuem alto limite de escoamento e baixo módulo de elasticidade. Estes materiais seriam ideais para uso em molas. r 0 U r e d 0 45

46 Ensaio de Tração: Curva Tensão Deformação Convencional Tensão Convencional, nominal ou de Engenharia σ C =tensão P=carga aplicada S 0 =seção transversal original C Deformação Convencional, nominal ou de Engenharia P A O e c = l l 0 l 0 = l l 0 ε C = deformação (adimensional - mm/mm) l 0 = comprimento inicial de referência (mm) l = comprimento de referência para cada carga (mm) 46

47 Coeficiente de Poisson É o coeficiente que mede a rigidez do material na direção perpendicular à direção da carga de tração uniaxial aplicada. No ensaio de tração é o quociente entre a deformação lateral ( ) e a deformação na direção da tensão aplicada ().

48 Propriedades Mecânicas da metais e ligas 48

49 Encruamento A partir da região de escoamento, o material entra no campo de deformações permanentes, onde ocorre endurecimento por trabalho a frio (encruamento); Resulta em função da interação entre discordâncias e das suas interações com obstáculos como solutos e contornos de grãos. É preciso uma energia cada vez maior para que ocorra essa movimentação 27

50 Empescoçamento - Estricção Região localizada em uma seção reduzida em que grande parte da deformação se concentra; Ocorre quando o aumento da dureza por encruamento é menor que a tensão aplicada e o material sofre uma grande deformação. 50

51 Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira Na curva tensão-deformação convencional após o ponto máximo (ponto M), o material aumenta em resistência devido ao encruamento, mas a área da seção reta está diminuindo devido ao empescoçamento; Resulta em uma redução na capacidade do corpo em suportar carga; Estricção ou empescoçamento A tensão calculada nessa carga é baseada na área da seção original e não leva em conta o pescoço. 30

52 Tensão Verdadeira e Deformação Verdadeira A Tensão Verdadeira é definida como sendo a carga P dividido sobre a área instantânea, ou seja, área do pescoço após o limite de resistência à tração V P A i A Deformação Verdadeira é definida pela expressão V ln l i l 0 52

53 Relações entre Tensões e Deformações Reais e Convencionais Deformação Tensão e C = l l 0 l 0 = l l 0 = l l 0 1 ln S 0 ln l ln(1 e C ) S l 0 l l 0 1 e C S0 S 1 e C r ln l l 0 ln(1 e C ) r P P (1e C ) S S 0 r C (1 e C ) 53

54 Efeito da temperatura A temperatura pode influenciar significativamente as propriedades mecânicas levantadas pelo ensaio de tração Em geral, a resistência diminui e a ductilidade aumenta conforme o aumento de temperatura 54

55 Ensaio de Compressão O ensaio de compressão é a aplicação de carga compressiva uniaxial em um CP; A deformação linear obtida pela medida da distância entre as placas que comprimem o corpo versus a carga de compressão consiste no resultado do ensaio; As propriedades mecânicas obtidas são as mesmas do ensaio de tração. 55

56 Curva x - Compressão 56

57 Ensaio de Compressão Em função de trincas submicroscópicas os materiais frágeis são geralmente fracos em condições de tração, já que as tensões de tração tendem a propagar essas trincas Materiais frágeis como as cerâmicas apresentam porém alta resistência à compressão 57

58 Ensaio Compressão Modos de Deformação (a)flambagem, quando L/D > 5 (b) Cisalhamento, quando L/D > 2,5 (c) Barril duplo, quando L/D > 2,0 (d)barril, quando L/D > 2,0 e há fricção nas superfícies de contato (e)compressão homogênea, quando L/D < 2,0 e não existe fricção nas superfícies de contato (f)instabilidade compressiva devido ao amolecimento do material por efeito de carga. A flambagem, o cisalhamento e a instabilidade devem ser evitados 58

59 Ensaio de Compressão Q Resultado do ensaio de compressão aplicado em um cilindro de cobre 59

60 Ensaio de compressão: Embarrilhamento Durante o ensaio de compressão, as faces do corpo de prova que estão em contato direto com as placas sofrem uma resistência que se opõe ao escoamento do material devido às forças de atrito. Isto leva a um corpo de prova em forma de barril (embarrilhamento) tornando necessário a determinação das tensões e deformações verdadeiras; Os fatores atrito e relação L/D atuam conjuntamente, tanto no modo como nos valores da deformação. 60

61 Tensões e Compressões Verdadeiras Tensão Verdadeira: r 4.P.h.D.h Deformação Verdadeira: r ln h 0 h 40

62 Ensaio de Torção O Ensaio de torção consiste na aplicação de carga rotativa em um corpo de prova geralmente de geometria cilíndrica; Mede-se o ângulo de torção como função do momento torsor aplicado; Muito utilizado na indústria de componentes mecânicos como motores de arranque, turbinas aeronáuticas, rotores de máquinas pesadas, barras de torção, molas etc... 41

63 Ensaio de torção As propriedades principais obtidas no ensaio de torção são: Limite de escoamento à torção G. e Módulo torção u de ruptura à Módulo de elasticidade transversal G= módulo de elasticidade transversal (ensaios de torção) = Tensão de cisalhamento = Deformação de cisalhamento G 42

64 Relação entre G, e E Para materiais isotrópicos, o módulo de elasticidade está relacionado com o coeficiente de Poisson e com o Módulo de Cisalhamento Relação entre G e E: E 2G(1 ) 43

65 Valores de E, G e coeficiente de Poisson Normalmente varia entre 0,25 a 0,35 44

66 Ensaio de Flexão O Ensaio de flexão consiste na aplicação de uma carga crescente em determinados pontos de uma barra Mede-se o valor da carga versus a deformação máxima Existem dois tipos principais de Ensaios: Ensaio de flexão em três 3 pontos pontos e Ensaio de flexão 4 pontos em quatro pontos 45

67 Ensaio de Flexão As principais propriedades obtidas em um Ensaio de Flexão são: Módulo de ruptura na flexão Módulo de elasticidade Módulo de resiliência Módulo de tenacidade É um ensaio muito utilizado em cerâmicas, polímeros e metais duros, pois fornece dados de deformação quando sujeitos a cargas de flexão 46

68 Ensaio de Fluência Definição Fluência: fenômeno de deformação plástica acumulada com o tempo que um sólido apresenta, sob o efeito constante da tensão e temperatura. O ensaio de fluência consiste na aplicação de uma carga constante em um material durante um período de tempo, em temperaturas elevadas; Essas condições são favoráveis a mudanças de comportamento dos materiais devido à difusão dos átomos, movimento de discordâncias, recristalização. escorregamento e Fenômeno ocorre em T>0,4T f (acima de 0,4 da temp. fusão). 47

69 Ensaio de Fluência No ensaio de fluência podese obter apenas o tempo de ruptura total (ensaio de ruptura por fluência). Normalmente no ensaio de fluência são medidas as deformações que ocorrem no CP em função do tempo (ensaio de fluência). Entre os materiais ensaiados em fluência podese citar os empregados em instalações de refinarias petroquímicas, usinas nucleares, indústria aeroespacial, turbinas, forno craqueamento etc.. 48

70 Ensaio de Fluência O ensaio de fluência pode ser dividido em três estágios: Primário: decréscimo contínuo da taxa de fluência (d/dt) em função do aumento de resistência devido ao encruamento Secundário: taxa de fluência constante, função do equilíbrio entre encruamento e recuperação (devido temp.). O parâmetro mais importante (taxa mínima de fluência) consiste na inclinação da curva nesse estágio Terciário: aceleração da taxa de fluência devido a estricção do CP culminando na ruptura devido à formação e propagação de trincas 49

71 Ensaio de Fadiga Os materiais metálicos, quando submetidos a esforços cíclicos rompem-se a tensões inferiores àquelas determinadas nos ensaios de tração e compressão. A ruptura que ocorre é denominada ruptura por fadiga O ensaio de fadiga consiste na aplicação de carga cíclica em corpo de prova padronizado 50

72 Tensões Cíclicas Em geral são possíveis três modalidades diferentes de tensão oscilante-tempo: Ciclo de tensões alternadas: dependência regular e senoidal em relação ao tempo, alternando entre uma tensão máxima de tração e uma tensão mínima de compressão de igual magnitude; Ciclo de tensões repetidas: valores máximos e mínimos são assimétricos e relação ao nível 0 de tensão; Ciclo de tensões aleatórias. 51

73 Curva σ-n ou Curva de Wöhler Em geral, a curva σ-n de materiais ferrosos (+ Ti) apresenta um limite de resistência à fadiga. Para valores abaixo desse limite o CP nunca irá sofrer ruptura por fadiga Para ligas não ferrosas a fadiga é caracterizada pela resistência à fadiga, tensão na qual ocorre ruptura por fadiga após um número de ciclos específicos(10 6 a 10 8 ) Vida à fadiga consiste no número de ciclos que causará a ruptura em determinado nível de tensão Em função do número de ciclos para haver ruptura o ensaio pode ser de baixo ciclo (10 4 ) ou de alto ciclo (acima desse limite) 73

74 Curva σ-n ou Curva de Wöhler Resultado de ensaio de fadiga para diferentes materiais 74

75 Diferença entre Limite à Fadiga e Resistência a Fadiga Limite de resistência à fadiga ( Rf ): em certos materiais (aços, titânio,...) abaixo de um determinado limite de tensão abaixo do qual o material nunca sofrerá ruptura por fadiga. Resistência à fadiga ( f ): em alguns materiais a tensão na qual ocorrerá a falha decresce continuamente com o número de ciclos (ligas não ferrosas: Al, Mg, Cu,...). Nesse caso a fadiga é caracterizada por resistência à fadiga Para os aços o limite de resistência à fadiga ( Rf ) está entre 35-65% do limite de resistência à tração. 54

76 Nucleação da Trinca A ruptura do material por fadiga ocorre devido à formação e propagação de trincas; As trincas se iniciam principalmente em defeitos de superfície,entalhes, inclusões, contornos de grãos, defeitos de solidificação, pontos de corrosão e pontos que sofrem deformação localizada. 55

77 Propagação de Trincas A concentração de tensão(tração)na ponta da trinca favorece o deslizamento de planos em 45 o (A,B e C) Em resposta à deformação plástica, a ponta da trinca tornase curva (embota). Na recuperação da tensão (ou tensão de compressão) a ponta é comprimida, formando novamente uma ponta aguda e o processo volta a se repetir em cada ciclo 56

78 Características Macroscópicas Nucleação Propagação instável Características macroscópicas gerais de uma fratura por fadig5a7. 57

79 Modo Macroscópico de Propagação de Trinca por Fadiga Ni Nff Np A superfície de uma fratura por fadiga apresenta duas regiões distintas: Região de propagação estável da trinca (aspecto polido, devido ao atrito das faces da trinca com possíveis marcas de progressão da trinca; Corresponde à área de fratura final não tendo ação do atrito (grosseiro, irregular, 58 texturizado) fratura frágil ou dúctil

80 Bibliografia Q Ciência e Engenharia Callister, Jr. LTC 5. edição. de Materiais uma Introdução, Willian D. Q The Science and Engineering of Donald R. Askeland Pradeep P. Phulé. Materials, 4 th ed Q Dieter, G.E. Metalurgia Mecânica 2.ed. Rio de Janeiro: GuanabaraDois, Q Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos, Fundamentos teóricos e práticos. 5º. Edição. Sérgio Augusto de Souza Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E8M- 01A (2001). Standard test methods of tension testing of metallic materials. Metric. Philadelphia. Q AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM E9-89a00 (2000). Standard Test Methods of Compression Testing of Metallic Materials at Room Temperature 59

81 OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! 69