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

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

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

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

Fratura Dois modos de fratura: dúctil e frágil  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.

Fratura - Materiais Metálicos 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).

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

Fratura - Materiais metálicos 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

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

Fratura - Materiais metálicos 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

Fratura - Materiais metálicos 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)

Fratura - Materiais metálicos 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

Fratura - Materiais metálicos 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.

Fratura - Materiais metálicos 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)

Superfície de Fratura Frágil 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

Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto Charpy Izod

Ensaios de Impacto INFORMAÇÕES OBTIDAS: 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

Ensaios de Impacto CHARPY 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.

Ensaios de Impacto CHARPY Hq = S . (1 – cos b) hr = S . (1 – cos a) 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)

Ensaios de Impacto CHARPY cálculo da velocidade de impacto Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto CHARPY cálculo da velocidade de impacto cálculo da energia 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)

Ensaios de Impacto UTILIZADOS PARA: 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

Ensaios de Impacto TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO 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

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

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

Ensaios de Impacto CARACTERÍSTICAS DO ENTALHE: Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto CARACTERÍSTICAS DO ENTALHE:

Ensaios de Impacto ANISOTROPIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto ANISOTROPIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA

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

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

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

Ensaios de Impacto MICROESTRUTURA: Departamento de Materiais e Tecnologia Ensaios de Impacto MICROESTRUTURA:

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

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

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

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.

Ensaios de Impacto Exercício 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)

LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY 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),

LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY 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

LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY Quadro 1 – Temperaturas de ensaio e respectivas energias médias de impacto. Temp. (oC) Energia de Impacto Cdp 1 Cdp 2 Média 190 -20 25 100 200

LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY Departamento de Materiais e Tecnologia LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPY Determinar a partir do gráfico Temperatura 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.

LABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPM 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