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Departamento de Materiais e Tecnologia
Ensaios de ImpactoEnsaios de Impacto
Alfeu Saraiva Ramos
Maio - 2009
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SUMÁRIO DA AULASUMÁRIO DA AULA
Breve Revisão Sobre Fratura
Ensaios de Impacto
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FRATURAFRATURA
• Por que falham os materias?– Projeto inadequado;– Fratura dúctil X frágil.
• Importância dos Princípios da mecânica da fratura
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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 Fratura
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Dois modos de fratura: dúctil e frágil depende da capacidade do material em absorver
energia até a ruptura, podendo este experimentar deformação plástica.
Fratura Fratura
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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).
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Fratura - Fratura - Materiais Metálicos
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7Fratura tipo cone em Al Fratura frágil em aço
Metais dúcteis à temp. ambiente A = (Au, Pb)
A B C
B é o modo mais comum
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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
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Fratura - Fratura - Materiais metálicos
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Fratura taça-conePescoço
microcavidades
Coalescimento de Trincas
Propagação de trincas
Fratura final por cisalhamento Fibras
arrancadas indicando deformação plástica.
Carregamento-Tração Carregamento-Cisalhamento
Dimples esféricos
DimplesParabólicos
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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
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Fratura - Fratura - Materiais metálicos
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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)
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Fratura - Fratura - Materiais metálicos
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• 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 Fratura -- Materiais metálicos
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13Microestrutura de um aço inoxidável: corrosão no contorno de grão provocando a fratura intergranular pelo excesso da temperatura no tratamento térmico em aço inoxidável 316L.
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Fratura Fratura -- Materiais metálicos
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14Superfície de fratura por clivagem de aço carbono em uma válvula de alívio de pressão.
A fratura foi atribuída à corrosão sob tensão (~250X)
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Fratura Fratura -- Materiais metálicos
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Marcas de sargento em forma de V
Origem da trinca
Superfície de Fratura Frágil
Origem da trinca
Nervuras radiais em formato de leque
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Charpy
Izod
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- 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
INFORMAÇÕES OBTIDAS:
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- 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.
CHARPY
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CHARPY
Hq = S . (1 – cos )
hr = S . (1 – cos )
- função do ângulo de queda
- função do ângulo de rebote
S = distância do centro de peso até a extremidade do pêndulo (m)
= ângulo de queda (rad)
ângulo de rebote (rad)
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cálculo da velocidade de impacto
Epotencial = Ecinética
M. g. Hq = M . V2/2
E = energia (J)
V = velocidade do pêndulo no instante do impacto (m/s)
g = aceleração da gravidade (m/s2)
V = (2 . g . Hq)0,5
cálculo da energia de impacto
CHARPY
Eimpacto = Epq - Epr
Eimpacto = M . g . (Hq – hr)Epq = energia potencial do pêndulo
na altura de queda (J)
Epq = energia potencial do pêndulo na altura de rebote (J)
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- Estimativa da temperatura de transição dúctil-frágil
- Verificação da fragilidade em tratamentos térmicos
- Verificação da fragilidade por hidrogênio
- Validação de lotes produtivos
UTILIZADOS PARA:
OBS. Não é um método para a obtenção de valores quantitativos
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TEMPERATURA DE TRANSIÇÃOTemperatura 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
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FATORES QUE REDUZEM ENERGIA DE IMPACTO:
- ESTADO TRIAXIAL DE TENSÃO
- ELEVADAS TAXAS DE DEFORMAÇÃO
- BAIXAS TEMPERATURAS
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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
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CARACTERÍSTICAS DO ENTALHE:
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ANISOTROPIA E DEFORMAÇÃO PLÁSTICA
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COMPOSIÇÃO QUÍMICA : efeito do teor de carbono para aços
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P, Cr, Mo, O, Si, N : aumentam temp. transição
Ni : aumenta temp. transição
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COMPOSIÇÃO QUÍMICA : energia absorvida para diferentes materiais
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COMPOSIÇÃO QUÍMICA: energia absorvida para diferentes materiais:
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MICROESTRUTURA:
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Causa: aumento da temperatura transição numa junta de solda devido ao crescimento de grão
Grãos grossos
Grãos finos
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EFEITO DA MICROESTRUTURA NA TEMPERATURA DE TRANSIÇÃO
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Grãos grossos
Grãos finos
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Nanotecnologias e nanoestruturas: redução da temperatura de transição
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Ensaios de ImpactoEnsaios de ImpactoDepartamento de Materiais e Tecnologia
Critérios para Projeto em função da temperatura de transição
Fratura Dúctil
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Ensaios de ImpactoEnsaios de ImpactoDepartamento de Materiais e Tecnologia
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.
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Ensaios de ImpactoEnsaios de ImpactoDepartamento de Materiais e Tecnologia
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)
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LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYLAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYDepartamento de Materiais e Tecnologia
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),
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LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYLAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYDepartamento de Materiais e Tecnologia
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
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LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYLAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYDepartamento de Materiais e Tecnologia
Quadro 1 – Temperaturas de ensaio e respectivas energias médias de impacto.
Temp. (oC) Energia de ImpactoCdp 1 Cdp 2 Média
-190-20025100200
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LAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYLAB 6 - Ensaio de Impacto CHARPYDepartamento de Materiais e Tecnologia
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.
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LABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPMLABORATÓRIOS DA DISCIPLINA PPMDepartamento de Materiais e Tecnologia
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