Ductilidade
alguns materiais quebram-se muito acentuadamente, sem deformação plástica, naquilo a que se chama uma falha frágil. Outros, que são mais dúcteis, incluindo a maioria dos metais, experimentam alguma deformação plástica e, possivelmente, agarram antes da fractura. Na ciência dos materiais, a ductilidade é a capacidade de um material sofrer grandes deformações plásticas antes de falhar e é uma das características muito importantes que os engenheiros consideram durante a concepção. A ductilidade pode ser expressa em percentagem de alongamento ou percentagem de redução de área de um ensaio de tracção. A ductilidade é um factor importante para permitir que uma estrutura sobreviva a cargas extremas, tais como as devidas a grandes mudanças de pressão, terramotos e furacões, sem sofrer uma falha ou colapso súbito. É definido como:
Em caso de teste de tensão, a ductilidade é medida por uma percentagem de redução de área. Mede a quantidade de pescoço (ou mudança na área da secção transversal) que ocorre antes da falha final da seguinte forma:
É possível distinguir algumas características comuns entre as curvas de tensão-deformação de vários grupos de materiais. Nesta base, é possível dividir os materiais em duas grandes categorias; nomeadamente:
- Materiais Dúcteis. Ductilidade é a capacidade de um material ser alongado em tensão. O material dúctil irá deformar (alongar) mais do que o material quebradiço. Os materiais dúcteis apresentam uma grande deformação antes da fractura. Na fractura dúctil, a deformação plástica extensa (pescoço) tem lugar antes da fractura. A fractura dúctil (fractura de cisalhamento) é melhor do que a fractura frágil, porque há uma propagação lenta e uma absorção de uma grande quantidade de energia antes da fractura. A ductilidade é desejável nas aplicações a alta temperatura e alta pressão em reactores devido às tensões acrescidas sobre os metais. A ductilidade elevada nestas aplicações ajuda a prevenir a fractura frágil.
- Materiais frágeis. Os materiais frágeis, quando sujeitos a tensões, quebram-se com pouca deformação elástica e sem deformação plástica significativa. Os materiais frágeis absorvem relativamente pouca energia antes da fractura, mesmo os de alta resistência. Na fractura frágil (clivagem transgranular), nenhuma deformação plástica aparente ocorre antes da fractura. As fissuras propagam-se rapidamente.
A distinção entre fragilidade e ductilidade não é facilmente aparente, especialmente porque tanto a ductilidade como o comportamento frágil dependem não só do material em questão, mas também da natureza e tipo de tensão, da taxa de carga (desgaste por fadiga) e da temperatura (transição dúctil-muito frágil). A figura seguinte mostra uma curva típica de tensão-deformação de um material dúctil e de um material frágil. Um material dúctil é um material, onde a resistência é pequena, e a região plástica é grande. O material suportará mais tensão (deformação) antes da fractura. Um material frágil é um material em que a região plástica é pequena e a resistência do material é elevada. O teste de tracção fornece três factos descritivos sobre um material. Estes são a tensão na qual começa a deformação plástica observável ou “cedência”; a resistência máxima à tracção ou intensidade máxima da carga que pode ser suportada em tensão; e a percentagem de alongamento ou deformação (a quantidade de material que irá esticar) e a percentagem de redução da área da secção transversal provocada pelo alongamento. O ponto de ruptura ou fractura também pode ser determinado.
Ductilidade e Resistência
Ductilidade é mais comummente definida como a capacidade de um material se deformar facilmente após a aplicação de uma força de tracção, ou como a capacidade de um material resistir a deformação plástica sem ruptura. A ductilidade também pode ser pensada em termos de dobrabilidade e esmagamento. Normalmente, se dois materiais têm a mesma resistência e dureza, aquele que tem a maior ductilidade é mais desejável. A ductilidade de muitos metais pode mudar se as condições forem alteradas. Um aumento da temperatura aumentará a ductilidade. Uma diminuição da temperatura provocará uma diminuição da ductilidade e uma mudança do comportamento dúctil para o comportamento quebradiço. A fractura dúctil (fractura por cisalhamento) é melhor do que a fractura frágil, porque há uma propagação lenta e uma absorção de uma grande quantidade de energia antes da fractura. A ductilidade é desejável nas aplicações a alta temperatura e alta pressão em reactores devido às tensões acrescidas sobre os metais. A ductilidade elevada nestas aplicações ajuda a prevenir a fractura por fragilidade. A ductilidade também contribui para outra propriedade material chamada tenacidade. A tenacidade combina força e ductilidade numa única propriedade mensurável e requer um equilíbrio de força e ductilidade.
Toughness é a capacidade de um material absorver energia e deformar plasticamente sem fraturar. Uma definição de tenacidade (ou mais especificamente, tenacidade à fractura) é que é uma propriedade indicativa da resistência de um material à fractura quando está presente uma fenda (ou outro defeito concentrador de tensão). A tenacidade é tipicamente medida através do teste Charpy ou do teste de Izod. O teste de impacto mede a tenacidade em condições de carga repentina e a presença de falhas, tais como entalhes ou fissuras que concentrarão a tensão em pontos fracos. A tenacidade também pode ser definida em relação a regiões de um diagrama de tensão-deformação. A dureza está relacionada com a área sob a curva tensão-deformação. A curva tensão-deformação mede a tenacidade sob carga gradualmente crescente. Para ser resistente, um material deve ser ao mesmo tempo forte e dúctil. A figura seguinte mostra uma curva tensão-deformação típica de um material dúctil e de um material frágil. Por exemplo, os materiais frágeis (como a cerâmica) que são fortes mas com ductilidade limitada não são resistentes; inversamente, os materiais muito dúcteis com baixas resistências também não são resistentes. Para ser resistente, um material deve resistir tanto a tensões elevadas como a tensões elevadas.
Temperatura de Transição de material dúctil
Como foi escrito, a distinção entre fragilidade e ductilidade não é facilmente aparente, especialmente porque tanto a ductilidade como o comportamento frágil dependem não só do material em questão, mas também da temperatura (transição dúctil-muito frágil) do material. O efeito da temperatura sobre a natureza da fractura é de considerável importância. Muitos aços apresentam fractura dúctil a temperaturas elevadas e fractura quebradiça a baixas temperaturas. A temperatura acima da qual um material é dúctil e abaixo da qual é quebradiço é conhecida como temperatura de transição dúctil-brilhante (DBTT), temperatura de ductilidade nula (NDT), ou temperatura de transição dúctil nula. Esta temperatura não é precisa, mas varia de acordo com o tratamento mecânico e térmico prévio e a natureza e quantidade de elementos de impureza. Pode ser determinada por alguma forma de teste de queda de peso (por exemplo, os testes Charpy ou Izod).
A temperatura de transição dúctil-triângulo (DBTT) é a temperatura à qual a energia da fractura passa abaixo de um valor pré-determinado (por exemplo, 40 J para um teste de impacto padrão Charpy). A ductilidade é um requisito essencial para os aços utilizados na construção de componentes de reactores, tais como a cuba do reactor. Por conseguinte, o DBTT é importante no funcionamento destas cubas. Neste caso, o tamanho do grão determina as propriedades do metal. Por exemplo, o tamanho menor do grão aumenta a resistência à tracção, tende a aumentar a ductilidade e resulta numa diminuição do DBTT. O tamanho do grão é controlado por tratamento térmico nas especificações e fabrico dos vasos dos reactores. O DBTT também pode ser reduzido através de pequenas adições de elementos de liga seleccionados, tais como níquel e manganês a aços de baixo carbono.
Tipicamente, os aços de baixa liga de reactor sob pressão são aços ferríticos que exibem o comportamento clássico de transição dúctil para ligas com temperatura decrescente. Esta temperatura de transição é da maior importância durante o aquecimento da planta.
Modos de falha:
- Região de baixa tenacidade: O modo de falha principal é a fractura frágil (clivagem transgranular). Na fractura frágil, nenhuma deformação plástica aparente tem lugar antes da fractura. As fissuras propagam-se rapidamente.
- Região de alta tenacidade: O modo de falha principal é a fractura dúctil (fractura por cisalhamento). Na fractura dúctil, a deformação plástica extensa (pescoço) ocorre antes da fractura. A fractura dúctil é melhor do que a fractura frágil, porque há uma propagação lenta e uma absorção de grande quantidade de energia antes da fractura.
Em alguns materiais, a transição é mais acentuada do que noutros e normalmente requer um mecanismo de deformação sensível à temperatura. Por exemplo, em materiais com uma malha cúbica centrada no corpo (bcc), o DBTT é facilmente visível, uma vez que o movimento das deslocações dos parafusos é muito sensível à temperatura, porque a rearranjo do núcleo de deslocação antes do deslizamento requer activação térmica. Isto pode ser problemático para aços com um elevado teor de ferrite. Isto resultou em rachaduras graves no casco dos navios Liberty em águas mais frias durante a Segunda Guerra Mundial, causando muitos afundamentos. Os navios foram construídos com uma liga de aço que possuía uma tenacidade adequada de acordo com os ensaios de resistência à tracção em temperatura ambiente. As fracturas quebradiças ocorreram a temperaturas ambientes relativamente baixas, a cerca de 4°C (40°F), nas proximidades da temperatura de transição da liga. Deve notar-se que os metais FCC de baixa resistência (por exemplo, ligas de cobre) e a maioria dos metais HCP não experimentam uma transição dúctil a ligas de ligas de cobre e retêm resistência também para temperaturas mais baixas. Por outro lado, muitos metais de alta resistência (por exemplo, aços de muito alta resistência) também não experimentam uma transição dúctil a ligeira, mas, neste caso, permanecem muito frágeis.
DBTT podem também ser influenciados por factores externos, tais como a radiação de neutrões, o que leva a um aumento dos defeitos da malha interna e a uma correspondente diminuição da ductilidade e aumento do DBTT.
Irradiação Embribilização
Durante a operação de uma central nuclear, o material da cuba de pressão do reactor e o material de outros materiais internos do reactor são expostos à radiação de neutrões (especialmente a neutrões rápidos >0.5MeV), o que resulta na fragilização localizada do aço e das soldaduras na área do núcleo do reactor. Este fenómeno, conhecido como fragilização por irradiação, resulta no aumento constante do DBTT. Não é provável que o DBTT se aproxime da temperatura normal de funcionamento do aço. Contudo, existe a possibilidade de que quando o reactor está a ser desligado ou durante um arrefecimento anormal, a temperatura possa cair abaixo do valor do DBTT enquanto a pressão interna ainda é elevada. Portanto, os reguladores nucleares exigem que um programa de vigilância do material da cuba do reactor seja conduzido em reactores de potência arrefecidos a água.
p>Ver também: Reflector de neutrões
A fragilização por radiação pode levar à perda de resistência à fractura. Tipicamente, os aços de baixa liga do reactor de pressão são aços ferríticos que exibem o comportamento clássico de transição dúctil a ligeiro com temperatura decrescente. Esta temperatura de transição é da maior importância durante o aquecimento da planta.
Modos de falha:
- Região de baixa tenacidade: O modo de falha principal é a fractura frágil (clivagem transgranular). Na fractura frágil, nenhuma deformação plástica aparente tem lugar antes da fractura. As fissuras propagam-se rapidamente.
- Região de alta tenacidade: O modo de falha principal é a fractura dúctil (fractura por cisalhamento). Na fractura dúctil, a deformação plástica extensa (pescoço) ocorre antes da fractura. A fractura dúctil é melhor do que a fractura frágil, porque há uma propagação lenta e uma absorção de grande quantidade de energia antes da fractura.
A irradiação de Neutrões tende a aumentar a temperatura (temperatura de transição dúctil para frágil) em que esta transição ocorre e tende a diminuir a tenacidade dúctil.