Por que alguns materiais amassam e outros quebram?
A quebra ou amasso em materiais são fenômenos muito comuns em nosso dia a dia, e entender como e por que esses eventos ocorrem é essencial no momento de escolha de um material a fim de evitar que falhas como essas ocorram.
Quando nos referimos a quebra, em um conceito de falhas, estamos falando sobre as fraturas que podem ocorrer de forma frágil ou dúctil. Além disso, esses conceitos nos levam a também entender o porquê amassos, ou melhor deformações, ocorrem, uma vez que ambos casos são resultados de uma tensão.
Por que as fraturas ocorrem nos materiais?
Uma fratura consiste em um corpo que se separa em pedaços devido a uma tensão que foi imposta nele a uma temperatura muito pequena em relação a sua temperatura de fusão. Essa tensão pode gerar trincas que acarretam a uma fratura, ou seja, as fraturas ocorrem quando um material sofre uma grande força e não consegue resisti-la.
Quando um material passa por uma situação que leva a uma fratura dois comportamentos podem ser observados: o de fratura dúctil ou o de fratura frágil. Vale ressaltar que nesse caso estamos considerando fraturas por tração uniaxial.
- Fratura Dúctil
Nesse tipo de fratura o ocorre um empescoçamento no corpo, ou seja, uma deformação que forma uma parte mais fina no corpo, como mostrado na figura nos exemplos a e b depois disso se formam pequenas cavidades dentro da seção reta e, com o passar do tempo, essas cavidades aumentam formando uma única cavidade maior, perpendicular à tração, que no final se expande rapidamente em um ângulo aproximado de 45° em relação ao eixo para completar a separação.
Outro fator que vale a pena ser levado em conta é que dependendo da maneira que a força é exercida o material não vai necessariamente quebrar, podendo apenas ser dobrado, sendo necessária ainda uma torção para poder fraturá-lo.
Por fim, se analisarmos as superfícies que se formaram a partir da fratura com um microscópio eletrônico de varredura podemos ver as microcavidades esféricas que se formaram.
- Fratura Frágil
Esse tipo de fratura ocorre de forma mais simples, sem nenhuma deformação, na qual a trica se propaga de forma rápida e, na maioria das vezes, perpendicular à força exercida, como mostrado no exemplo c da figura.
Nesse caso, quando se analisa a superfície criada a olho nu podemos ver: linhas e nervuras, ou algumas marcas em formato de “v” que apontam para o centro de criação da trinca, ou até mesmo superfícies lisas e brilhantes quando se trata de materiais amorfos como vidros cerâmicos.
Mas quais são os pontos fortes de cada tipo de fratura?
Em geral, quando se compara os dois tipos de fraturas é preferível uma fratura do tipo dúctil a uma fratura do tipo frágil, por dois motivos:
- Resistência:
Quando se compara a energia gasta para induzir uma fratura do tipo dúctil e uma do tipo frágil a energia gasta na primeira é maior, ou seja, é mais difícil quebrar materiais dúcteis. Isso acontece porque esses materiais são, geralmente, mais resistentes do que materiais frágeis.
- Sinais de Fratura:
Ao comparar o modo que as duas fraturas ocorrem percebe-se que a fratura frágil ocorre de maneira muito mais espontânea, devido a rapidez que sua trinca se espalha e a ausência de sinais que indicam uma possível fratura. Por outro lado, a dúctil apresenta a deformação plástica, que dá um sinal de que uma fratura pode ocorrer. Desse modo permitindo que medidas sejam tomadas para evitar um possível acidente.
Outros fatores que afetam a fratura
Além do tipo de material, outros fatores que podem afetar a maneira e a capacidade do corpo em se quebrar são: a temperatura do ambiente e a presença de trincas no material:
- Temperatura:
A temperatura ambiente pode alterar o comportamento do material sendo que, caso ela esteja muito baixa o material tende a um comportamento frágil e, caso esteja muito alta tende a um comportamento dúctil.
- Trincas:
As trincas é outro fator que influencia a quebra do material, nesse caso, a presença delas facilita a fratura, de modo a tensão se concentre em uma área menor, diminuindo a resistência à fratura da peça e, com isso, facilita o rompimento da mesma.
Essa diminuição de resistência ocorre em praticamente todos os tipos de materiais. Isso acontece, principalmente devido a presença de pequenas trincas que não são visíveis a olho nu e facilitam a criação de uma trinca maior que, consequentemente quebrará o objeto.
Trinca em aço inoxidável
Por que os materiais amassam?
Quando os materiais amassam, estão sofrendo uma deformação. Esse processo tem uma causa semelhante, já que acontece quando uma carga de tensão é aplicada no material, porém a diferença ocorre em sua consequência. Na deformação o material não se rompe, mas perde o seu formato original temporariamente ou permanentemente.
Além disso, a deformação pode se apresentar em formas diferentes, seja em uma deformação elástica ou em uma deformação plástica:
- Deformação elástica:
Nela o material se deforma com a aplicação da tensão e após o fim desta volta ao formato anterior à tensão.
- Deformação plástica:
É caracterizada como uma deformação que não volta ao normal após o fim da tensão, isso ocorre devido a sua ação nas moléculas, já que é caracterizada, a partir de uma perspectiva atômica, como a quebra de ligação com átomos vizinhos para a ligação com novos átomos vizinhos.
A deformação elástica acontece antes da deformação plástica, nos casos em que essa ocorre, e a relação entre elas varia bastante, sendo sempre desejado que a segunda não ocorra, uma vez que ela causa danos irrecuperáveis no corpo do material. As formas de variação entre as deformações ocorrem de maneiras distintas dependendo do tipo de material. Isso acontece por conta do tipo de ligação que é feito entre eles.
A relação entre o tipo de material e a deformação
- Materiais metálicos:
Os materiais metálicos sofrem pouca deformação elástica, geralmente até deformações de 0,005, logo em seguida existe o limite de escoamento, onde eles transitam da deformação elástica para a plástica. A partir daí o material terá deformações permanentes, depois disso eles apresentam um perfil de deformação plástica e param de seguir uma proporção entre a tensão e a deformação, a chamada lei de Hooke.
- Materiais Cerâmicos:
Os materiais cerâmicos apresentam um comportamento similar aos materiais metálicos quando se trata da deformação elástica. Eles têm uma relação tensão e deformação linear e apresentam uma faixa um pouco maior em que esse comportamento ocorre. Entretanto, a parte de deformação plástica não ocorre maioria dos materiais cerâmicos a temperatura ambiente, já que eles se fraturam antes de qualquer deformação desse tipo.
- Materiais Poliméricos:
Por outro lado, os materiais poliméricos apresentam 3 diferentes tipos de comportamento: polímeros frágeis, plásticos e altamente elásticos.
Os polímeros frágeis apresentam um comportamento elástico, porém fraturam antes de qualquer deformação plástica.
Os polímeros plásticos apresentam um comportamento semelhante ao de muitos metais, ou seja, deformação elástica no começo, passando por um escoamento e em seguida uma deformação plástica.
Os polímeros altamente elásticos, também conhecidos como elastômeros, tem um comportamento totalmente elástico típico da borracha.
Seja através de uma fratura ou deformação, amassos e quebras ocorrem porque a força que a tensão aplicada no material é mais forte do que ele pode aguentar. Isso faz com que ocorra quebra das ligações entre as moléculas e causa danos estruturais temporários ou até mesmo permanentes. Portanto é importante entender como esses fenômenos ocorrem para poder selecionar o material desejado com base no comportamento desejado, dessa forma evita-se perdas de propriedades.
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