Com mais de 25 anos de experiência em testes de materiais, metalurgia e engenharia de sistemas, o cientista da MTS, Dr. Erik Schwarzkopf, traz uma expertise única para o atendimento ao cliente. Nesta sessão de perguntas e respostas, ele discute a mecânica da fratura e os testes de dureza à fratura.
P: O que é teste de dureza à fratura?
R: Em termos simples, um teste de dureza à fratura é um teste não cíclico que mede quanta energia é necessária para fazer uma fissura crescer de forma catastrófica. Vários tipos de testes definem "energia" e "catastrófico" de maneiras diferentes. A energia pode incluir um parâmetro representativo de energia, como um parâmetro de distância como CTOD, um parâmetro de intensidade de estresse como KIc, ou um parâmetro de energia dividida pela área como JIc. O crescimento catastrófico da fissura pode ser interpretado como muito rápido, muito distante ou um pouco mais longe do que o estado inicial. Alguns padrões comuns de testes de dureza à fratura incluem ASTM E399, E561 e E1820.
Teste R-Curve ASTM E561 em um espécime de aço fino. Os ruídos gerados à medida que a fissura avança são devido ao crescimento instável da fissura, resultando em mudanças súbitas na força ou deslocamento comumente chamadas de "pop-ins."
P: Quais indústrias se preocupam com as medições de dureza à fratura?
R: Qualquer indústria que depende de vasos de pressão precisa conhecer as propriedades de dureza à fratura dos materiais usados para esses recipientes pressurizados. Quando algo está sob pressão, é importante saber como isso irá reagir ao longo do tempo. É altamente preferível que um recipiente ou tubo tenha vazamentos em vez de explodir, portanto, escolher o material certo com as propriedades desejadas é crítico. É por isso que as medições de dureza à fratura são valiosas ao selecionar materiais para tubulações em usinas de energia, ou aplicações nucleares e de petróleo e gás. Além do interesse do setor de energia, fabricantes de metais e compósitos, assim como as indústrias naval, de engenharia civil e aeroespacial, também dependem de medições de dureza à fratura para avaliar materiais.
P: Como as fissuras crescem e o que a plasticidade do material tem a ver com isso?
R: As fissuras podem crescer e consumir energia de várias maneiras, dependendo das propriedades do material – às vezes, uma fissura faz o material se partir em duas peças (a criação de cada nova superfície absorve energia), às vezes o material absorve energia ao se deformar, e às vezes ele se transforma (muda de uma fase para outra). Devido às diferentes propriedades dos materiais, existem alguns tipos de mecânica da fratura. Para materiais de alta resistência, a Mecânica da Fratura Elástica Linear (LEFM) é comumente usada. Para materiais mais dúcteis, existe a Mecânica da Fratura Plástica Elástica (EPFM). A dureza à fratura elástica linear assume que a deformação plástica é pequena em relação a todas as outras dimensões.
P: Quando você usaria um tipo de teste de dureza à fratura em vez de outro?
R: Depende do tipo de dado que você precisa e do material. Se você precisa de uma resposta qualitativa versus quantitativa, então alguns dos testes mais simples poderão indicar se o material é mais ou menos suscetível a fissuras. Um teste simples não lhe dirá quão mais fácil é fissurar o material, mas a curva de um teste de tração simples pode lhe dar algumas informações. Um teste de impacto Charpy dirá se um material pode suportar uma força e fornecerá dados de aprovação/reprovação. Se você precisar de uma medição quantitativa e puder obter um teste válido a partir de um pequeno espécime, pode tentar um teste KIc, assumindo que a plasticidade do material é mínima.
P: E se a plasticidade do material não for mínima?
R: Às vezes, realizar um teste KIc válido exigiria um espécime muito grande (e muito caro) para garantir que a maior parte do espécime seja elástico. Há uma solução para esse problema: com um resultado válido do Integral J, você pode calcular o valor K, permitindo o uso de um espécime menor. Determinar o Integral J requer mais análise, mas como não depende do tamanho da zona plástica, não requer um espécime grande.
P: Quais outras considerações existem ao escolher um tipo de teste de dureza à fratura?
R: Como em todos os testes, a consistência é importante. Um tipo de entalhe consistente é importante. Controlar a temperatura, a geometria e a espessura do espécime, e a taxa de carga são requisitos para um resultado de teste válido. Dados coletados de testes anteriores também são um fator a considerar. Se você tem um histórico de dados de CTOD, faz sentido escolher esse tipo de teste.
P: E quanto ao teste da dureza à fratura de materiais fabricados aditivamente?
R: Materiais fabricados aditivamente estão se tornando mais comuns, e apresentam várias áreas de preocupação: porosidade, densidade e limites de partículas. Poros e limites nesses materiais atuam como fissuras ou entalhes, afetando as propriedades de fadiga e fratura do material. Você deve determinar se os "pseudo" entalhes fazem com que as fissuras cresçam de forma catastrófica ou não. Compósitos e materiais fabricados aditivamente apresentam desafios únicos, pois podem ter defeitos entre as camadas que não conseguimos ver, portanto, devem ser testados.
P: O que mais o futuro reserva para a medição da dureza à fratura?
R: Continuarão a surgir novas maneiras de fabricar materiais, como impressão 3D/fabricação aditiva; novos materiais como compósitos projetados; novas aplicações para materiais em veículos movidos a hidrogênio e viagens espaciais; e novas técnicas de teste. Toda essa inovação significa que os materiais precisarão ser avaliados quanto à dureza à fratura para determinar se são apropriados para o uso final pretendido. Ao compreender os princípios e metodologias dos testes de dureza à fratura, pesquisadores e engenheiros podem desenvolver materiais e estruturas mais seguros e confiáveis para atender às necessidades em evolução da tecnologia e da indústria moderna.
