aula 3-dureza e impacto iem

8/17/2019 Aula 3-Dureza e Impacto IEM

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Dureza

Definição: Medida da resistência de um material a umadeformação plástica (permanente) localizada (pequenaimpressão ou risco)

Principais Vantagens:

! Fácil execução e barato (muito utilizado na indústria)! Rapidez na execução

! Ensaio pode ser considerado não destrutivo (tamanho impr.)

! Conhecimento aproximado da resistência mecânica atravésdo uso de tabelas de correlação Introdução


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Principais objetivos:

" Conhecimento das resistências mecânica e ao desgaste;

" Controle de qualidade nos processos de conformaçãoplástica e nas condições de fabricação;

" Verificação das condições de tratamento térmico.

Dureza

Introdução

Métodos de medição:

!

Dureza de risco (escala de Mohs)

!

Dureza de choque ou ressalto (Shore)

! Dureza de penetração (Brinell, Meyer, Rockwell, Vikers,

Knoop)


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O primeiro método padronizado de ensaio de dureza foi baseado no

processo de riscagem de minerais padrões, desenvolvido por Mohs,

em 1822.

Dureza Mohs - risco

A U M E N T O D

A

D U R E Z A

I n d i c a ç ã o e s s e n c i a l m e n t e

qualitativa por comparação comoutros minerais (qquer. mineral daescala risca o que os precede e é

riscado pelo seguinte)

Pouco utilizada (imprecisa) nosmetais (dureza entre 4 a 8)

Ex. aço dúctil corresponde a uma

dureza de 6 Mohs, a mesma dureza

Mohs de um aço temperado.


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D u r e z a p o r p e n e t r a ç ã o(princípios gerais)

Cuidados na realização dos ensaios:

! Perpendicularidade entre a força e a superfície da peça;

! Aplicação lenta da carga;

! Preparação correta da superfície da peça;

! Tempo de espera após aplicação da carga antes dadescarga (fenômeno de fluência transitória).

São os ensaios de dureza

mais utilizados na atualidade


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Dureza Brinell (HB) – Ano 1900

Consiste em comprimir lentamente umaesfera de aço endurecido ou de carbetode tungstênio (CW), de diâmetro D,sobre uma superfície polida e limpa deum metal através de uma carga F,durante um tempo t.

Penetrador esférico ! : 1,2 ,5 ou 10 mm

Cargas: entre 500 e 3000 kg

Tempo: entre 10 e 30 s

Dureza Brinell

P = prof. de impressão (da calota)


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Dureza Brinell (HB)


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A relação carga aplicada e diâmetro do penetrador é dada por:

.2 Cte K

F

D==

Relação carga (F) – diâmetro dopenetrador (D)

Dureza Brinell

(Fator de carga)


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O diâmetro da esfera (D) é determinado em funçãoda espessura do CP ensaiado (e). No caso danorma brasileira, a espessura mínima do material

ensaiado deve ser 17 vezes a profundidade dacalota (p).

Dureza Brinell (HB)

Dureza Brinell

e


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Mecanismo de Medição Brinell

)(

2

22

d D D D

F HB

!!

=

"

# D=diâmetro da esfera

# d=diâmetro da impressão*

Dureza Brinell

* m e d i d o a t r a v é s d emicroscópio especial,utilizando uma escala

gravada em sua ocular


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A unidade kgf/mm2, que deveria ser sempre colocada

após o valor de HB, é omitida, uma vez que a durezaBrinell não é um conceito físico satisfatório, pois a

força aplicada no material tem valores diferentes em

cada ponto da calota.

Dureza Brinell (HB)


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Tabela que fornece

o s v a l o r e s d e

d u r e z a B r i n e l l

normal, em função

de um diâmetro deimpressão d.


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No caso dos aços existe uma relação empírica entre dureza

Brinell e o limite de resistência, !r , dada por :

HBr

*36,0=!

Segundo O’Neill, o valor de 0,36 vale para aços doces,entretanto este valor pode mudar para:

! 0,49 para Ni recozido! 0,41 para Ni e latão encruado! 0,52 para cobre recozido

!

0,40 para alumínio e suas ligas.

[kgf/mm2]

Relação entre dureza Brinell elimite de resistência

Dureza Brinell


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Dureza Brinell (HB)Vantagens e limitações

Vantagens:

! Conhecimento aproximado da resistência do material sem atingir a ruptura;

!

Baixo custo e simples operação;

! A deformação produzida não afeta o comportamento do material;

! Ensaio pode ser considerado não destrutivo (depende dotamanho da impressão final e do uso do componente)

Limitações:

! Não é aplicável em peças muito finas e em materiais muito duros;

! Método relativamente lento para a produção industrial;

!

A impressão obtida é muito grande para peças acabadas.


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Dureza Rockwell (HR) - 1922

• Método mais utilizado para se medir dureza

• Elimina o tempo necessário para a mediçãode qualquer dimensão da impressão causada,

pois o resultado é diretamente lido na máquinade ensaio, sendo portanto rápido e livre deerros humanos;

• Fácil execução, facilidade em detectarpequenas diferenças de durezas e pequenotamanho da impressão;

• Ensaio Rockwell superficial é realizado em

corpos de prova mais finos (delgados).


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Dureza Rockwell (HR)


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Método de Medição Rockwell

# Índice (HR) é determinadop e l a d i f e r e n ç a n aprofundidade de penetração

de uma carga inicial (pré-carga) seguida de uma cargaprincipal.

# Ensaio Rockwell

• Pré-carga = 10 kgf

• Principal = 60,100 e 150 kgf

# Ensaio Rockwell Superficial• Pré-carga = 3 kgf• Principal = 15, 30 e 45 kgf

Penetradores do ensaio Rockwell:

! Esferas de aço endurecidas com! :1/16,1/8,1/4 e ! pol.! Penetradores cônicos de diamante

(brale) usado para materiais maisduros


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Onde:

! e = aumento permanente da profundidade de penetração

devido à carga maior F1 medido em unidades de 0,002 mm! E = constante que depende do formato do endentador: 100

para endentador de diamante, 130 para endentador de esfera

de aço

!

HR = valor da dureza Rockwell

! F 0 = pré-carga em kgf

! F 1= carga em kgf

! F =Fo+F1= carga total em kgf

HR = E-e

Dureza Rockwell


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pré-carga F o de 10 kgf.

F=Fo+F1


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pré-carga F o de 3 kgf.

F=Fo+F1


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Dureza Vickers (HV) - 1925

#

O método é baseado napenet ração de umap i r â m i d e d e b a s equadrada, com ângulo

entre as faces opostas de136° feita de diamante;

# Adequado para regiões

pequenas e selecionadasdo corpo de prova;

# Impressão é observadaem um microscópio emedida. D D

F Fsen

HV 22

8544,12

1362

==


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Dureza Vickers (HV) - 1925

Vantagens:

! escala contínua de dureza;

! impressões muito pequenas que não inutilizam a peça;

! grande precisão das medidas: muito utilizada em pesquisa;

! aplicação de toda a gama de durezas encontradas nos diferentes materiais;

! deformação nula do penetrador (diamante);

! aplicação em qualquer espessura de material podendo portanto medir durezassuperficiais;

!

diversas formulações de conversões para outras escalas.

Limitações:

! morosidade do ensaio;

! exige preparação cuidadosa da superfície para tornar nítida a impressão;

! processo muito caro.

Vantagens e limitações


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Dureza Vickers

I d t ã Vi k


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Indentação Vickers


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Indentação Vickers


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Ensaios de dureza Knoop

Microdureza Knoop: utiliza o mesmo princípio de ensaio dedureza Vickers, mas o penetrador possui geometria diferente


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Fratura

#

Fratura consiste naseparação de um corpoem dois em resposta auma tensão imposta.

# São possíveis doismodos de fratura: dúctil e frágil baseado nahabilidade de ummaterial emexperimentar umadeformação plástica

Navio petro le i ro rompidocatastroficamente no porto de

Nova York em 1975.


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Ductilidade

#

Indicação de quanto umaestrutura irá se deformarantes da fratura

#

Especifica o grau dedeformação permissíveldurante operações defabricação (extrus,Lam.etc..)

# M a t e r i a i s q u eapresentam deformaçãoantes da fratura inferior a5 % s ã o c h a m a d o s

frágeis.

Material Dúctil

(Mole)

Material Frágil


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Fratura dúctil e frágil

O processo de fratura envolve duas etapas: formação epropagação das trincas. A modalidade da fratura é dependentedo mecanismo de propagação das trincas

# Fratura dúctil

! Extensa deformação plástica navizinhança da trinca. Processoprossegue de maneira lenta(trinca estável)

!

Presença de de formaçãoplástica dá um alerta de que umafratura é iminente

! Mais energia de deformação énecessária pois geralmente sãomais tenazes

# Fratura frágil

! Trincas se espalham de maneiraextremamente rápida com muitapouca deformação plástica(trinca instável)

!

Ocorre repent inamente ecatastroficamente, conseqüênciada espon tânea e ráp idapropagação de trincas


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Fratura Frágil ou Ductil


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Fratura dúctil

• (a) Empescoçamento inicial•

(b) Pequenas cavidades oumicrovazios se formam

• (c) Microvazios aumentam, se uneme coalescem para formar uma trincaelíptica

• (d) Rápida propagação da trinca• (e) Fratura final por cisalhamento em

um ângulo de 45o em relação àdireção de tração

( c ) 2 0 0 3 B r o o k s / C o l e , a d i v i s i o n o f T h o m s o n L e a r n i n g , I n c . T h o m s o n L e a r n i n g ™

i s a t r a d e m a r k u s e d

h e r e i n u n d e r l i c e n s e .

O processo de fratura dúctil ocorre normalmente em vários

estágios

(a)

(b)

(c) (d)

(e)

(e)


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Fratura dúctil (Tipo Taça Cone)

Trincamento e ruptura da areaexterna em forma de anel, num

ângulo de aproximademente 45°(Shear Lip)


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Fratura frágil

Fratura frágil ocorre sem qualquer deformação apreciável eatravés de uma rápida propagação de trincas

• (a) algumas peças de aço

apresentam uma série de“marcas de sargento” comformato em “V” apontando paratrás em direção ao ponto deiniciação de trinca

• ( b ) o u t r a s s u p e r f í c i e sapresentam linhas ou nervurasque se irradiam a partir daorigem da trinca em forma deleque


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Ensaio de Impacto

O ensaio de impacto, pela sua facilidade de ensaio e baixo custo deconfecção dos CPs fez dele um dos primeiros e mais empregadospara o estudo de fratura frágil nos metais. Pode-se determinar atendência de um material a se comportar de maneira frágil.

$

Deformação a uma temperatura relativamente baixa (Tend. Fragil)$ Elevada taxa de deformação (Tendência a fratura frágil)

$ Estado de tensão triaxial ( introduzido pela presença de umentalhe - tendência a fratura frágil)

As condições escolhidas para o ensaio são as mais severas emrelação ao potencial de ocorrência de uma fratura (agravam tenac)


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Taxa de Solicitação ao Impacto

A velocidade de impacto têm um efeito significativo nocomportamento do material metálico ou polimérico. Em baixavelocidade de impacto o material pode apresentar umcomportamento de fratura dúctil e em altas velocidades frágeis.

Ef it G t i d E t lh


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• A restrição plástica no entalhe produz um estado de tensãotriaxial, sendo a concentração de tensão no entalhe dada por:

onde é ângulo interior do entalhe. !"

#

$%

& '

(

)+=

* 221

K

Efeito Geometria do Entalhe


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Tanto a profundidade quanto o raiode curvatura da extremidade doentalhe têm efeito significativo nocomportamento a fratura do material

Efeito Geometria do Entalhe


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Efeito Temperatura na Res. Impacto

Polímeros Metais

Efeito Temperatura na Res Impacto


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Efeito Temperatura na Res. ImpactoAtravés do ensaio Charpy pode-se verificar se um material tem

uma temperatura de transiçãodúctil-frágil

-196 oC 23oC 120oC


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Máquina de Ensaio Charpy


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Técnicas de Ensaios de Impacto: Charpy e Izod

• As técnicas Charpy e Izod sãoutilizadas para medir a energiade impacto.

• O corpo de prova possui o

f o r m a t o d e u m a s e ç ã oquadrada com um entalhe em“V”

• Diferença entre as técnicas

Charpy e Izod é como o corpode prova é sustentado• A energia absorvida é medida

através da diferença entre h e h’e corresponde à energia de

impacto


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Para os ensaios com o pêndulo (Charpy e Izod) a Epot da elevaçãodo martelo se transforma em Ecin na descida. Parte desta energia étransferida para o CP , provocando sua ruptura.

Ensaio de Impacto

Eabs é a energia absorvida

pelo CP


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Ensaio Impacto Charpy


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Ensaio Impacto Charpy


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Principais Configuração CPs Charpy

Ensaio de Impacto IZOD (ASTM D256) ou


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Ensaio de Impacto IZOD (ASTM D256) ou

Charpy (ASTM D6110)

Energia:

" J

"

J / m(espessura)

" J/m2 (áread a s e c ç ã o

transversal)


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Ensaio Impacto IZOD


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Principais Configuração CPs IZOD


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Transição Dúctil - Frágil

"

Uma das principais funções dos ensaios de impacto édeterminar se um material apresenta transição dúctil – frágilcom a diminuição da temperatura.

" Uma análise da superfície de fratura de CPs testados em

diferentes temperaturas indicam a transição dúctil-frágil pelo %de fratura dúctil e frágil em cada temperatura.

D f i d i é i i ifi i d li d


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Desta forma o ensaio de impacto é mais significativo quando realizadoem um intervalo de temperatura, de maneira que pode ser determinado atemperatura de transição quando a fratura passa de dútil para frágil, comoobservado na figura. Pode ser adotado pelo menos cinco critérios para a

temperatura de transição.

! A temperatura de

transição é sensível à

c o m p o s i ç ã o e àmicroestrutura da liga

• ! Tamanho de grão

• ! Temperatura detransição

• ! Teor de carbono! Temperatura de

transição

Transição Dúctil Frágil


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1

21

2

E E E

Trans ++

=

Temperatura de transição (Média das energias)

E1

E2



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E m u m a ç o e mtemperaturas elevadas a

energia é relativamentegrande e a medida que atemperatura é reduzida,a energia de impacto caipara um valor constante,

porém pequeno, i.é, omodo de fratura é frágil.


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Será que todos os metais apresentam

temperatura de transição dútil – frágil?

Caso sim, como transportamos nitrogêniolíquido? Temperatura de -196 oC.

Transição Dúctil Frágil


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Aço Carbono


CFC

CCC

93 oC

204 oC

0 oC

Não apresenta

transição dúcltil/

frágil

Recipiente inox

nitrogênio líquido

(-197 oC) possui

uma Estrutura

CFC

Aço inox austenítico


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• Materiais que apresentam esse comportamento devem serusados somente em temperaturas acima da temperatura detransição para evitar fraturas frágeis catastróficas

• A temperatura de transiçãoé sensível à composição eà microestrutura da liga

• " Tamanho de grão• " Temperatura de transição

• " Teor de carbono

" Temperatura de transição



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Ensaio de Impacto Polímeros

Parâmetros que afetam as propriedades sob impacto em polímeros:

! Taxa ou velocidade de solicitação sob impacto;

!

Sensibilidade ao entalhe;! Temperatura;

! Orientação Molecular

!

Condições e tipo de processamento;! Grau de cristanilidade e massa molar;

! Método de solicitação (Pêndulo; Dardo etc..)

! Espessura do corpo de prova


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Ensaio de Impacto Polímeros

ASTM D4508ASTM D1822ASTM D6110ASTM D256

ASTM D5420ASTM D3763

Equipamentos Impacto Polímeros


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Antes impacto

Após impacto

Equipamentos Impacto PolímerosImpacto/Tração Dardo

Exercício


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Exercício

Energia de Impacto, J

Temp. de teste,

C 2,55 % Si 2,85 % Si 3,25 % Si 3,63 % Si

-50 -25 0 25 50 75 100 125

2,5 3,0 6,0 13,0 17,0 19,0 19,0 19,0

2,5 2,5 5,0 10,0 14,0 16,0 16,0 16,0

2,0 2,0 3,0 7,0 12,0 16,0 16,0 16,0

2 2

2,5 4,0 8,0 13,0 16,0 16,0

Os dados da tabela abaixo foram obtidos a partir de uma série de ensaios deimpacto realizados em quatro aços, com diferentes porcentagens de Si.Desenhe a curva de energia X temperatura de ensaio e determine:

# A temperatura de transição definida como a média das energias obtidas noinício da região dúctil e início da região frágil e compare com a técnica de20J energia. Coloque em gráfico este valor em função do teor de Si ecomente.

#

Qual seria o teor de Si mínimo permitido se a peça destes aços tivesseque trabalhar a 0°C.


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Estudo de caso: TITANIC

13/04/1912


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Obtenção das amostras

• Em 1996, pesquisadoresutilizando submarinosrobôs trouxeram pedaçosde aço do casco doTITANIC para análisemetalúrgica.


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Composição Química

• No aço do casco do TITANIC constata-se teoreselevados de P, S que associados ao baixo teor de Mn(baixa relação Mn/S) são responsáveis pela maior

tendência ao comportamento frágil em baixastemperaturas .


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Microestrutura

• Através de análise metalográfica convencional

pod e-s e no t a r sev ero ban dea men to ,principalmente na seção longitudinal.

• Na seção longitudinal constata-se também grandesquantidades de partículas de sulfeto de manganês

(dentro das elipses).


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Microestrutura (A36 x Titanic)

• Através da análise com um microscópioeletrônico de varredura pode-se

observar partículas de MnS ( estruturaselípticas)

ASTM A36

Na micrografia pode-senotar o tamanho degrão bem maior no açod o T I T A N I C e m

comparação ao aço A36.


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Ensaio de impacto: Charpy

• Realizou-se ensaios Charpy em umafaixa de temperaturas entre -55°C e179°C em três séries de corpos de

prova de dimensões padrão.

! A figura ilustra uma superfícieCharpy recém fraturada a 0°C.

Planos de clivagem na ferrita sãobastante evidentes

! A figura ilustra uma região dasuperfície contendo MnS

Ensaio de impacto:


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Ensaio de impacto:Charpy

Os resultados de impacto das três séries de CPs :

! Em altas temperaturas, as amostras

longitudinais do casco tem melhor propriedade que as transversais.

! Em baixa temperatura, as amostras

longitudinais e transversais tem a mesmaenergia de impacto.

! A temperatura de transição dúctil frágil

para energia de impacto de 20J é de-27°C (ASTM A 36), 32°C (cascolongitudinal) e 56 °C(casco transversal).

! Durante a colisão, a temperatura da

água do mar era de -2oC

Ensaio de impacto:


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Ensaio de impacto:Charpy

Esta forma de mensurar as mudanças detenacidade com a temperatura consisteem se avaliar o aspecto da fratura emtermos de fração de área fibrosa (dúctil)em relação ao total da área transversaldo corpo de prova.

Utilizando-se como referência o valor de

50 % de fratura fibrosa, as temperaturasde transição para cada amostra testadaseriam de: -3 °C (para ASTM A36), 49 °C(casco longitudinal) e 59 °C (cascotransversal).


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Conclusão

#

Detecção tardia da presença de

iceberg (sem tempo paramanobras evasivas)`;

# Velocidade de navegaçãoelevada;

#

Ângulo de impacto que propiciou

a b e r t u r a s e m v á r i o scompartimentos;

#

Aço com grande tendência aocomportamento frágil ( porém omelhor da época).

Fatores que contribuíram para o naufrágio do TITANIC:

Bibli fi R d d


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Bibliografia Recomendada

! Ensaios Mecânicos de Materiais Metálicos. Fundamentos teóricos e práticos. Souza,

Sergio Augusto. Editora Blucher. 5o. Edição.

! Garcia, Amauri; Spim, Jaime Alvares; Santos, Carlos Alexandre “ Ensaio dos Materiais”

! Canevarolo, Sebastião V. “Técnicas de Caracterização de Polímeros” – Editora Artliber

! Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture and

Fatigue Norman E. Dowling.

! Normas Mencionadas de Ensaios Mecânicos

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