Departamento de Materiais e Tecnologia

1. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto Alfeu Saraiva Ramos Maio - 2009

2. Departamento de Materiais e Tecnologia SUMÁRIO DA AULA • Breve Revisão Sobre Fratura • Ensaios de Impacto

3. Departamento de Materiais e Tecnologia FRATURA • Por que falham os materias? • Projeto inadequado; • Fratura dúctil X frágil. • Importância dos Princípios da mecânica da fratura

4. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura • É a separação de um corpo sólido em duas ou mais partes devida à uma tensão aplicada. • Etapas da fratura: • Nucleação de trincas • Propagação de trincas • Ruptura do cdp

5. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura • Dois modos de fratura: dúctil e frágil • depende da capacidade do material em absorver energia até a ruptura, podendo este experimentar deformação plástica.

6. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura - Materiais Metálicos • Ocorre normalmente de maneira dúctil há um aviso do material antes do rompimento • É caracterizada pela ocorrência de deformação plástica significativa, antes e durante a propagação das trincas. • superfícies de fratura apresentam aspecto fibroso (dúctl) ou granular (frágil).

7. Departamento de Materiais e Tecnologia B é o modo mais comum Metais dúcteis à temp. ambiente A = (Au, Pb) A B C Fratura tipo cone em Al Fratura frágil em aço

8. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura - Materiais metálicos • O rompimento de um material metálico pode ocorrer de maneira dúctil por meio de fratura: • - transgranular (crescimento plástico-fratura em taça ou cone) • - intergranular (presença de vazios nos contornos de grão) • - formação de um pescoço (deformação plástica) • - cisalhamento

9. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura taça-cone Coalescimento de Trincas Pescoço microcavidades Fratura final por cisalhamento Fibras arrancadas indicando deformação plástica. Propagação de trincas Dimples esféricos Dimples Parabólicos Carregamento-Tração Carregamento-Cisalhamento

10. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura - Materiais metálicos • A fratura frágil é caracterizada pela rápida propagação da trinca, sem deformação plástica aparente. • Se ocorrer de maneira frágil (geralmente T muito baixas): • - clivagem • - intergranular

11. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura - Materiais metálicos • A fratura frágil acontece sem aviso prévio e as conseqüências podem ser desastrosas. • A tendência para ocorrência de fratura frágil aumenta com: - diminuição da temperatura - aumento da taxa de deformação - estado triaxial de tensão (entalhe)

12. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura -Materiais metálicos • Dúctil: extensa deformação plástica na vizinhança de uma trinca que está avançando • Frágil: ocorre sem qualquer deformação apreciável através de uma rápida propagação da trinca • Fractografias: fornecem informações como o modo da fratura, estado de tensão e ponto de início da trinca

13. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura -Materiais metálicos • Microestrutura de um aço inoxidável: corrosão no contorno de grão provocando a fratura intergranular pelo excesso da temperatura no tratamento térmico em aço inoxidável 316L.

14. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura -Materiais metálicos • Superfície de fratura por clivagem de aço carbono em uma válvula de alívio de pressão. • A fratura foi atribuída à corrosão sob tensão (~250X)

15. Departamento de Materiais e Tecnologia Superfície de Fratura Frágil Origem da trinca Marcas de sargento em forma de V Origem da trinca Nervuras radiais em formato de leque

16. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • Charpy • Izod

17. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • INFORMAÇÕES OBTIDAS: • Energia Absorvida: medida diretamente pela máquina • Contração Lateral: quantidade de contração em cada lado do corpo de prova fraturado • Aparência da fratura: determinação da porcentagem de fratura frágil

18. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • CHARPY • é o método mais apropriado e versátil devido à facilidade de posicionamento do corpo-de-prova na máquina. • o corpo de prova deve ser mantido na temperatura desejada por pelo menos 5 min, no caso de meios de aquecimento líquidos, e 30 min para o caso de meios gasosos. • o ensaio deve ser realizado em tempos inferiores a 5 s.

19. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • CHARPY Hq = S . (1 – cos b) - função do ângulo de queda hr = S . (1 – cos a) - função do ângulo de rebote S = distância do centro de peso até a extremidade do pêndulo (m) b = ângulo de queda (rad) a = ângulo de rebote (rad)

20. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • CHARPY cálculo da energia de impacto cálculo da velocidade de impacto Epotencial = Ecinética Eimpacto = Epq - Epr M. g. Hq = M . V2/2 V = (2 . g . Hq)0,5 Eimpacto = M . g . (Hq – hr) E = energia (J) V = velocidade do pêndulo no instante do impacto (m/s) g = aceleração da gravidade (m/s2) Epq = energia potencial do pêndulo na altura de queda (J) Epq = energia potencial do pêndulo na altura de rebote (J)

21. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • UTILIZADOS PARA: • Estimativa da temperatura de transição dúctil-frágil • Verificação da fragilidade em tratamentos térmicos • Verificação da fragilidade por hidrogênio • Validação de lotes produtivos OBS. Não é um método para a obtenção de valores quantitativos

22. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO Temperatura característica onde ocorre a transição dúctil- frágil dos materiais trinca se propaga mais velozmente que os mecanismos de deformação plástica Baixas temperaturas pouca energia é absorvida  Temperaturas elevadas fratura é precedida de uma deformação que consome energia

23. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • FATORES QUE REDUZEM ENERGIA DE IMPACTO: • - ESTADO TRIAXIAL DE TENSÃO • - ELEVADAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO • - BAIXAS TEMPERATURAS

24. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • FATORES QUE INFLUENCIAM A TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO DE METAIS E LIGAS: • - Características do Entalhe (estados de tensão) • - Taxa de Deformação • - Anisotropia e Deformação Plástica • - Composição Química • - Microestrutura

25. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • CARACTERÍSTICAS DO ENTALHE:

26. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • ANISOTROPIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

27. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • COMPOSIÇÃO QUÍMICA : efeito do teor de carbono para aços P, Cr, Mo, O, Si, N : aumentam temp. transição Ni : aumenta temp. transição

28. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • COMPOSIÇÃO QUÍMICA : energia absorvida para diferentes materiais

29. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • COMPOSIÇÃO QUÍMICA: energia absorvida para diferentes materiais:

30. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • MICROESTRUTURA:

31. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • EFEITO DA MICROESTRUTURA NA TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO Causa: aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão Grãos grossos Grãos finos

32. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • Nanotecnologias e nanoestruturas: redução da temperatura de transição Grãos grossos Grãos finos

33. Departamento de Materiais e Tecnologia Fratura Dúctil Ensaios de Impacto • Critérios para Projeto em função da temperatura de transição

34. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • Critérios para Projeto em função da temperatura de transição T1 – Temperatura a partir da qual ocorre 100% de fratura dúctil (fibrosa) T2 – Temperatura em que ocorre 50% de fratura frágil T3 – Temperatura que representa a média entre T1 e T5 T4 – Temperatura correspondente a um certo valor adotado de energia absorvida (ou porcentagem de fratura frágil). Para aços de baixa resistência, esse valor é de 20J) T5 – Temperatura a partir da qual ocorre 100% de fratura frágil.

35. Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto • Exercício • Os seguintes dados foram obtidos em experimentos do tipo Charpy: • massa do pêndulo = 1,0 kg • g = 9,8 m/s2 • ângulo de queda = 60º • ângulo de rebote = 30º • distância ao centro do pêndulo (S) = 0,5 m • Calcule as alturas de queda e de rebote, a velocidade do impacto e a energia absorvida pelo material. (1 kgf.m=10J)

36. Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY • Objetivos: (a) avaliar a influência da temperatura no comportamento frágil de um aço de médio teor de carbono (ABNT 1045), com entalhe em V. (b) determinar as energias absorvidas para a ruptura dos corpos de provas em diferentes temperaturas (c) determinar a faixa de temperatura em que ocorre a transição dúctil-frágil Detalhes dos cdp: 50mm x 10mm x 10mm; entalhe em V (2 mm de profundidade e raio de curvatura de 45º),

37. Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY • Procedimento Experimental: (1) elevar o pêndulo da máquina de ensaio Charpy até que a altura inicial pré-estabelecida e travá-lo nesta posição; (2) posicionar o ponteiro no disco graduado para capacidade máxima de energia potencial da máquina (30 kgf.m); (3) em seguida, soltar o pêndulo da altura inicial, para conferir e ajustar o “ponto zero” da escala e freá-lo após o ensaio; (4) repetir este procedimento para cada corpo de prova

38. Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY Quadro 1 – Temperaturas de ensaio e respectivas energias médias de impacto.

39. Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY • Determinar a partir do gráficoTemperatura versus Energia Absorvida: (a) a temperatura de transição do aço ABNT 1045, utilizando os critérios: • Equivalente a 20 Joules (2,0 kgf.m). • Para 40% da energia máxima absorvida no impacto. • Para a Temperatura T3, que é a média dos valores dos patamares superior e inferior. (b) Comparar com resultados da literatura para este material (busca em Handbooks). (c) Discutir sobre o efeito da temperatura nas características da superfície de fratura, na energia absorvida, explicando sobre os possíveis mecanismos microestruturais.

40. Departamento de Materiais e Tecnologia LABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPM • ASPECTOS DE SEGURANÇA PARA EXPERIMENTOS QUE ENVOLVEM TEMPERATURAS ELEVADAS: (1) USAR CALÇA COMPRIDA E SAPATOS FECHADOS (DE PREFERÊNCIA DE COURO) (2) PEGAR MATERIAIS APENAS COM PINÇAS/GARRAS METÁLICAS, COM O AUXÍLIO DE LUVAS TÉRMICAS (3) ESTAR CONCENTRADO NAS ATIVIDADES