Resistência à fratura: Aumentando a resiliência do material

Entendendo a resistência à fratura

A resistência àfratura é uma propriedade fundamental da ciência dos materiais que descreve a capacidade de um material de resistir ao crescimento de rachaduras. Ela é necessária para prever falhas sob tensão em estruturas e evitar falhas catastróficas em estruturas de engenharia.

Fatores críticos que influenciam a resistência à fratura

- Ductilidade: Os materiais que podem sofrer deformação plástica (como os metais) tendem a ter maior resistência à fratura.

- Microestrutura: O tamanho do grão, a composição da fase e os defeitos podem afetar a resistência à fratura. Os materiais com estrutura de grãos finos tendem a ser mais resistentes.

- Temperatura: A resistência à fratura é uma função da temperatura. Alguns materiais se tornam mais resistentes em baixas temperaturas (por exemplo, os metais terão uma fratura frágil em temperaturas muito baixas (criogênicas)).

- Processamento e reforço: O processo de fabricação (por exemplo, fundição, forjamento, sinterização) e o reforço (por exemplo, fibras, estabilizadores) podem aumentar a resistência à fratura.

Resistência à fratura e variação de material

A resistência à fratura varia muito entre os diferentes materiais devido às diferenças de composição, microestrutura e processamento. É dessa forma que a resistência à fratura pode variar entre os materiais:

1. Metais

Os metais têm alta resistência à fratura em relação à cerâmica e aos polímeros. A capacidade dos metais de se deformar plasticamente (ductilidade) é um fator que contribui para sua resistência. Alguns exemplos:

-Aço: Os aços carbono podem ter uma resistência à fratura de 50 a 150 MPa-m½, enquanto as ligas mais resistentes, como os aços de baixa liga de alta resistência, podem ter uma resistência à fratura superior a 200 MPa-m½.

-Ligas de alumínio: Normalmente, têm menor resistência à fratura (30-60 MPa-m½) em comparação com os aços, mas o peso leve e a resistência à corrosão do alumínio o tornam adequado para aplicações específicas.

2. Polímeros

Os polímeros são menos resistentes à fratura do que os metais, mas podem ser projetados para aplicações específicas.

- Termoplásticos: Eles tendem a ter maior resistência à fratura devido à sua capacidade de se deformar sob carga. Por exemplo, o policarbonato pode revelar valores de 30-70 MPa-m½.

- Termofixos: Tendem a ser mais frágeis e a ter menor resistência à fratura. Os epóxis, por exemplo, podem revelar valores tão baixos quanto 20 MPa-m½, a menos que sejam reforçados.

3. Cerâmica

Em geral,as cerâmicas são frágeis, ou seja, possuem baixa resistência à fratura, embora as propriedades possam variar bastante com base na composição e no processamento.

- Alumina: amplamente utilizada como cerâmica de engenharia, a alumina tem resistência à fratura de 3 a 5 MPa-m½.

- Zircônia: Também chamada de cerâmica de alta resistência à fratura, a zircônia pode ter resistência à fratura entre 5 e 15 MPa-m½, especialmente quando estabilizada com ítria.

- Nitreto de silício: Uma cerâmica que pode ser desgastada, amplamente usada na indústria e em aplicações aeroespaciais, o nitreto de silício é conhecido por ter valores de cerca de 5 a 7 MPa-m½ para sua resistência à fratura.

4. Compostos

Os materiais compostos, ou seja, compostos de matriz cerâmica ou polímeros reforçados com fibras, podem ter faixas extremamente amplas de valores de resistência à fratura, dependendo da matriz e dos materiais de reforço.

- Compostos reforçados com fibras: A resistência à fratura do composto de fibra de carbono, por exemplo, pode variar de 20 a 100 MPa-m½ com base na orientação e no tipo de fibra.

- Compostos de matriz cerâmica: Eles possuem a resistência a altas temperaturas da cerâmica, juntamente com o aumento da resistência das fibras de reforço, para oferecer resistência à fratura na faixa de 10 a 30 MPa-m½.

5. Vidro

Em geral, o vidro é frágil, com resistência à fratura muito baixa em comparação com metais e cerâmicas. A resistência à fratura da maioria dos materiais de vidro fica em torno de 0,5 a 1 MPa-m½, mas alguns vidros projetados (por exemplo, vidro laminado ou temperado) terão valores um pouco maiores.

6. Concreto

O concreto é um material composto de resistência à fratura relativamente baixa, mas não inferior à dos metais ou polímeros. A resistência à fratura do concreto geralmente está na faixa de 0,5 a 1,5 MPa-m½, mas pode ser aumentada com a inclusão de fibras ou outros aditivos.

Métodos de teste de resistência à fratura

A resistência à fratura deve ser avaliada adequadamente para os materiais. São empregados vários métodos de teste padronizados:

Teste de impacto Charpy

Um pêndulo atinge um corpo de prova entalhado, com a energia absorvida durante a fratura. Ele fornece uma medição rápida da resistência, mas é menos preciso para uma análise detalhada.

Teste de tensão compacta (CT)

Inclui carga de tração em uma peça de teste entalhada para que o parâmetro de resistência à fratura, como KICK_{IC}, possa ser medido com precisão.

Teste de dobra de entalhe de borda única (SENB)

Um corpo de prova com entalhe de borda única é dobrado até quebrar e fornece dados sobre a resistência do material ao avanço da trinca.

Teste de flexão de três pontos

Semelhante ao teste SENB, mas apoiado em três pontos, esse teste auxilia na determinação da resistência à fratura sob condições de carga de flexão.

Indentação instrumentada

Técnicas complicadas de indentação podem estimar a resistência à fratura a partir da reação do material sob deformação controlada.

Perguntas frequentes

O que é resistência à fratura?

A resistência à fratura é uma métrica para a capacidade de um material de resistir ao crescimento de trincas, mantendo a integridade estrutural sob carga.

Por que se deseja aumentar a resistência à fratura?

O aumento da resistência à fratura evita falhas inesperadas do material, garantindo segurança e confiabilidade em diferentes aplicações.

Quais materiais geralmente apresentam alta resistência à fratura?

As ligas de aço e titânio e alguns compostos têm alta resistência à fratura.

Como a temperatura influencia a resistência à fratura?

A mudança de temperatura pode alterar a tenacidade de um material, geralmente diminuindo em temperaturas mais baixas e aumentando em temperaturas mais altas.

Qual é a diferença entre a resistência à fratura e a dureza?

A resistência à fratura avalia a resistência ao crescimento de trincas, enquanto a dureza avalia a resistência à deformação e indentação da superfície.