Mecânica da fratura (LEBM, FBM)
A mecânica da fratura analisa o crescimento da trinca, a propagação da trinca e a capacidade de absorção da trinca no componente ou material em condições operacionais (função, ciclo de vida, …). Os valores característicos determinados do material levando em consideração a função carga-tempo influenciam a construção e a fabricação de um componente.
A mecânica da fratura tem grande importância em muitos setores industriais como por ex. o setor aeroespacial ou o setor automotivo. Por meio da estimativa do ciclo de vida e de vida útil de componentes com trinca, os intervalos de inspeção e de manutenção podem ser definidos especificamente.
Distinguem-se dois conceitos, a mecânica da fratura linear-elástica LEBM) e a mecânica da fratura por fluência (FBM).
Mecânica da fratura linear-elástica LEBM Mecânica da fratura por fluência FBM Normas Propagação de trinca em metal Formas de amostras Máquinas para ensaios de materiais
Mecânica da fratura linear-elástica (LEBM)
Na mecânica da fratura linear-elástica (adequada para materiais quebradiços), o material se comporta até a ruptura sem deformação (propagação instável da trinca) de forma linear-elástica. Um valor característico clássico da mecânica da fratura linear-elástica é o K1C, que descreve a intensidade de tensão (K) crítica (C) com o modo 1 de abertura da trinca.
Mecânica da fratura por fluência (FBM)
Contudo, quando o material apresenta falha dúctil, ou seja, com uma deformação plástica ao redor da ponta da trinca, o conceito da mecânica da fratura por fluência será aplicado. Aqui existem duas definições, a saber a determinação dos valores característicos por meio da energia armazenada nos arredores da ponta da trinca (conceito integral J) e por meio da abertura da ponta da trinca (CTOD “crack tip opening displacement“).
Normas Relevantes
- ASTM E399-09 - Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K1C of Metallic Materials
- ASTM E647 – Standard Test Method for Measurement of Fatigue crack growth rates (da/dN)
- ASTM E1820-11 – Standard Test Method for Measurement of Fracture Toughness (metals)
- ISO 12135 - Método de ensaio unificado para determinação da resistência à fratura quase estática
Propagação da trinca em componentes metálicos
Defeitos no componente ou na superfície do componente causados pela fabricação como são comuns em todos os componentes representam germes de trinca os quais, quando expostos à carga, favorecem o surgimento de trincas. Esses defeitos podem tornar-se o início de uma trinca, ou seja, uma danificação macroscópica do material que pode ser tecnicamente registrada. Aqui se fala de fase inicial de surgimento de trinca.
Na fase subsequente de propagação da trinca, a trinca evolui no componente até que a intensidade de tensão K diante da ponta da trinca exceda um valor crítico e o componente sofra uma falha repentina.
As trincas se propagam em componentes expostos a cargas monótonas ou cíclicas de forma estável (estado pré-crítico) ou instável (estado crítico). Para materiais quebradiços pode ser indicada a grandeza de carga crítica K1C , cuja determinação é descrita na ASTM E399. Quando a intensidade de tensão K da trinca crescente está abaixo de K1C, a trinca se propaga de forma estável e sua propagação pode ser interrompida em qualquer momento com a eliminação da carga. Quando o valor K1C é excedido, o crescimento da trinca ocorre de forma instável e o componente sofre uma falha repentina.
A curva de crescimento da trinca pode ser subdividida em três faixas:
- Faixa I: Valor de crescimento ΔKth
- Faixa II: Crescimento da trinca por fadiga da/dN
- Faixa III: Fator crítico de intensidade de tensão K1C (tenacidade da trinca)
Amostra C(T)
A forma da amostra mais utilizada na mecânica da fratura é a amostra Compact Tension. Elas é utilizada para o ensaio conforme ASTM E399 / E647.
As seguintes formas da amostra também são citadas nas normas. Elas são selecionadas dependendo da indústria e dos materiais de partida disponíveis:
- Amostra M(T) Middle tension para o ensaio conforme ASTM E647
- Amostra ESE(T) Eccentrically loaded single edge crack tension para o ensaio conforme ASTM E647
- Amostra SE(B) Single edge bend para o ensaio conforme ASTM E399
- Amostra DC(T) Disc-Shaped Compact Tension para o ensaio conforme ASTM E399
- Amostra A(T) Arc-Shaped tension para o ensaio conforme ASTM E399
- Amostra A(B) Arc-Shaped bend para o ensaio conforme ASTM E399
