Mecânica da fratura 101: Compreender os princípios básicos

Acidente de fratura em engenharia

(1) Em 1969, durante um treino de voo, a asa esquerda de um avião americano F-111 desprendeu-se e despenhou-se, enquanto este efectuava um exercício de recuperação de uma bomba lançada. Apesar do facto de a velocidade de voo, o peso total, a sobrecarga e outros indicadores serem significativamente inferiores aos indicadores de projeto, a asa ainda se desprendeu da aeronave.

Uma inspeção e análise revelaram que o pivô da asa estava defeituoso devido a um tratamento térmico inadequado durante o processo de fabrico. Apesar da falta de inspecções, a fenda continuou a expandir-se sob carga de fadiga, levando a danos de baixa tensão.

(2) Durante a Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos produziram 2 500 navios livres, dos quais 700 ficaram gravemente danificados e 145 foram divididos em duas secções. Surpreendentemente, alguns destes incidentes ocorreram em mares calmos, apesar do facto de todos os navios serem feitos de materiais de alta resistência.

Depois de analisar as causas dos danos, descobriu-se que a tensão no junta soldada concentrou-se e a resistência ao impacto foi reduzida devido a uma descida da temperatura, o que tornou a estrutura do navio vulnerável a fracturas.

(3) A ponte dos felinos na Bélgica foi dividida em três secções em 1938.

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O que é a mecânica da fratura?

Um número significativo de estudos indicou que as fracturas frágeis são sempre causadas por macrofissuras e, na maior parte dos casos, a existência de tais fissuras nas estruturas é inevitável.

A resistência de um material com fissuras depende da resistência do material à propagação de fissuras, que é determinada pelas suas propriedades internas.

O campo de tensão e deformação em torno da ponta da fenda, bem como a lei de propagação da fenda, são estudados utilizando teorias elásticas e plásticas e a nova tecnologia de ensaio conhecida como mecânica da fratura.

Processo de fratura de componentes

(1) Geração de fissuras:

1. As macro e microfissuras são geradas em pontos de concentração de tensão numa estrutura devido a factores ambientais como a fadiga, a corrosão, a tensão e a temperatura.
2. Podem existir defeitos no próprio material.
3. As fissuras também podem ocorrer durante a produção e o processamento.

(2) Propagação de fendas subcríticas:

Sob a influência do ambiente, as macro microfissuras expandem-se gradualmente e lentamente durante o serviço do componente.

(3) Iniciação de fissuras:

Sob a ação da tensão, a fenda expande-se gradualmente até atingir o comprimento crítico e o componente perde subitamente a estabilidade.

(4) Propagação de fissuras:

As fissuras instáveis propagam-se a uma velocidade elevada, que pode atingir 1/4 da velocidade do som no material.

(5) Paragem de fissuras:

Quando a fissura é instável, pode atravessar toda a estrutura e destruir as partes estruturais;

Ou a fissura pára em determinadas condições.

Classificação da mecânica da fratura

A mecânica da fratura pode ser dividida em mecânica da fratura macroscópica e mecânica da fratura microscópica, enquanto a mecânica da fratura macroscópica pode ser dividida em mecânica da fratura elástica linear, mecânica da fratura elástico-plástica, dinâmica da fratura, mecânica da fratura de interface.

Objetivo da mecânica da fratura

A mecânica da fratura estuda as diferentes fases do processo de fratura. Com base em numerosas experiências, examina a resistência à fratura de materiais que contêm fissuras e as leis que regem a geração, propagação, instabilidade e paragem das fissuras. Este domínio fornece informações valiosas para a conceção de produtos mais seguros.