{"id":3947,"date":"2025-09-28T21:39:39","date_gmt":"2025-09-28T13:39:39","guid":{"rendered":"https:\/\/chiggofactory.com\/?p=3947"},"modified":"2025-09-28T21:57:16","modified_gmt":"2025-09-28T13:57:16","slug":"understanding-brittleness-in-materials","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/chiggofactory.com\/pt\/understanding-brittleness-in-materials\/","title":{"rendered":"Entendendo a fragilidade em materiais"},"content":{"rendered":"\n

Imagine soltar sua caneca de caf\u00e9 favorita no ch\u00e3o da cozinha - ele se despeda\u00e7a em peda\u00e7os afiados. Agora imagine uma tenda de aranha de tela de smartphone ap\u00f3s uma queda ou uma parede de concreto n\u00e3o refor\u00e7ada rachando durante um terremoto. Esses exemplos cotidianos destacam a fragilidade, uma propriedade material que pode levar a uma quebra repentina sem aviso pr\u00e9vio. A Brittless \u00e9 importante para a seguran\u00e7a e a confiabilidade: um componente quebradi\u00e7o em um edif\u00edcio, ponte ou produto pode falhar catastroficamente se n\u00e3o for considerado. A hist\u00f3ria oferece lembretes fortes - a maioria dos rms Titanic, cujo a\u00e7o ficou quebradi\u00e7o em \u00e1guas do Atl\u00e2ntico Fr\u00edgido e rachou com o impacto em vez de dobrar, contribuindo para o desastre. Engenheiros e designers prestam muita aten\u00e7\u00e3o \u00e0 fragilidade, porque, diferentemente dos materiais d\u00facteis que dobram ou esticam, os quebradi\u00e7os tendem a se estresse.<\/p>\n\n\n\n

Este post explora o que \u00e9 a fragilidade e como difere da dureza e resist\u00eancia. Ele tamb\u00e9m explica por que os materiais como vidro ou ferro fundido s\u00e3o quebradi\u00e7os e como testamos e mitigamos a fragilidade no design de engenharia.<\/p>\n\n\n\n

O que \u00e9 a fragilidade?<\/h2>\n\n\n\n
\"difference-between-very-ductile\"<\/figure>\n\n\n\n

A fragilidade da ci\u00eancia dos materiais refere -se \u00e0 tend\u00eancia de um material de fraturar com pouca ou nenhuma deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica de antem\u00e3o. Simplificando, um material quebradi\u00e7o n\u00e3o se dobra ou se estica muito - isso quebra. Se voc\u00ea tentar dobrar um objeto quebradi\u00e7o, ele quebrar\u00e1 ou se encaixar\u00e1 quase imediatamente, em vez de passar por deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica. Este \u00e9 o oposto deductilidade<\/a>, a capacidade de um material para sustentar deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica significativa (por exemplo, ser atra\u00edda para arame ou dobrado) antes de falhar. Metais altamente d\u00facteis (como cobre ou ouro) podem ser dobrados, esticados ou desenhados consideravelmente, enquanto materiais quebradi\u00e7os (como vidro ou cer\u00e2mica) fraturam ap\u00f3s apenas uma pequena tens\u00e3o el\u00e1stica.<\/p>\n\n\n\n

Artleza versus ductilidade, resist\u00eancia e dureza<\/h3>\n\n\n\n
\"brittle-vs-ductile-material\"<\/figure>\n\n\n\n

A compara\u00e7\u00e3o de fragilidade e ductilidade se resume a quanto um material pode deformar plasticamente antes da fratura. Um material quebradi\u00e7o tem ductilidade muito baixa e atinge seu ponto de ruptura em pequena tens\u00e3o; Um d\u00factil pode sustentar uma deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica significativa. Nos metais, uma regra comum \u00e9 que o alongamento no intervalo \u2272 ~ 5% \u00e9 chamadofr\u00e1gil<\/strong>, enquanto \u2273 ~ 5% \u00e9 consideradod\u00factil<\/strong>(dependente de material e teste; cer\u00e2mica e vidro geralmente est\u00e3o muito abaixo de 1%). Praticamente, os materiais quebradi\u00e7os d\u00e3o pouco aviso - eles n\u00e3o se dobram visivelmente ou pesco\u00e7o antes de bater. Em umCurva de estresse -tens\u00e3o<\/a>, materiais d\u00facteis mostram rendimento e uma longa regi\u00e3o pl\u00e1stica, enquanto materiais quebradi\u00e7os s\u00e3o quase lineares-el\u00e1sticos at\u00e9 uma fratura abrupta com plasticidade m\u00ednima.<\/p>\n\n\n\n

Resist\u00eancia<\/strong>Descreve a energia que um material absorve antes de fraturar (pense: a \u00e1rea sob uma curva estresse -tens\u00e3o). Geralmente aumenta quando um material combina alta resist\u00eancia e boa ductilidade; N\u00e3o \u00e9 o rigoroso \"oposto\" da fragilidade. Um pneu de borracha \u00e9 dif\u00edcil porque se deforma e absorve o impacto; O vidro recozido \u00e9 quebradi\u00e7o porque n\u00e3o pode se deformar plasticamente; portanto, um golpe agudo pode faz\u00ea -lo quebrar.<\/p>\n\n\n\n

Dureza<\/a><\/strong>\u00e9 um conceito diferente - a resist\u00eancia a arranh\u00f5es e indenta\u00e7\u00e3o localizada. Um material pode ser extremamente dif\u00edcil, mas quebradi\u00e7o. O diamante, por exemplo, resiste a arranhar, mas, sem plasticidade, pode lascar ou se apegar sob um golpe n\u00edtido. Por outro lado, algo relativamente macio (como borracha) pode resistir a rachaduras no impacto porque pode se deformar. Em suma, a dureza diz respeito \u00e0 resist\u00eancia \u00e0 deforma\u00e7\u00e3o localizada, enquanto a fragilidade descreve o comportamento da fratura.<\/p>\n\n\n\n

Exemplos de materiais quebradi\u00e7os e como eles falham<\/h2>\n\n\n\n
\"brittle-metal\"<\/figure>\n\n\n\n

Muitos materiais di\u00e1rios e industriais exibem comportamento quebradi\u00e7o. Aqui est\u00e3o alguns exemplos e como eles falham sob estresse:<\/p>\n\n\n\n

Vidro:<\/strong>O vidro comum (como vidro de janela ou um vidro para beber) \u00e9 um material quebradi\u00e7o cl\u00e1ssico. \u00c9 muito dif\u00edcil e forte em compress\u00e3o, mas sob tens\u00e3o ou impacto de tra\u00e7\u00e3o, n\u00e3o pode se deformar plasticamente. Coloque um copo em um piso duro e ele normalmente fraturas em fragmentos grandes e afiados. A falha \u00e9 por propaga\u00e7\u00e3o de crack: uma vez que uma pequena falha ou ponto de impacto inicia uma rachadura, ele corre pelo vidro com quase nenhuma deforma\u00e7\u00e3o pl\u00e1stica. Essa fragilidade vem de sua estrutura: a rede de s\u00edlica \u00e9 r\u00edgida e amorfa e, diferentemente dos metais, n\u00e3o h\u00e1 deslocamentos m\u00f3veis para aliviar o estresse. Curiosamente, tratamentos especiais podem mudar como as quebras de vidro-por exemplo, vidro temperado, produzidas por tratamento de calor para introduzir tens\u00f5es compressivas de superf\u00edcie, ainda s\u00e3o quebradi\u00e7as, mas tendem a invadir pe\u00e7as pequenas e semelhantes a dados (da\u00ed \"\" vidro de seguran\u00e7a \"). O vidro laminado, usado em p\u00e1ra -brisas, liga duas camadas de vidro a um intercalador de pl\u00e1stico (geralmente PVB); portanto, quando as rachaduras formam o intercalador mant\u00e9m as pe\u00e7as juntas. Esses tratamentos mitigam o modo de falha, mas o vidro fundamentalmente falha ao quebrar, n\u00e3o dobrando.<\/p>\n\n\n\n

Cer\u00e2mica:<\/strong>A cer\u00e2mica \u00e9 igualmente quebradi\u00e7a. Bata um vaso de cer\u00e2mica de uma prateleira e ele lascar\u00e1 ou quebra em vez de amassar. Estruturalmente, as cer\u00e2micas s\u00e3o ligadas ionicamente e\/ou covalentemente e geralmente s\u00e3o policristalinas (a porcelana tamb\u00e9m cont\u00e9m uma fase v\u00edtrea). Em uma placa de porcelana, por exemplo, a rede at\u00f4mica \u00e9 r\u00edgida; Quando estressados, os planos at\u00f4micos n\u00e3o podem facilmente escorregar. Nos s\u00f3lidos i\u00f4nicos, uma pequena mudan\u00e7a traz \u00edons carregados lado a lado, eles repelem fortemente e uma rachadura inicia. Como o movimento de deslocamento \u00e9 limitado e as liga\u00e7\u00f5es s\u00e3o direcionais, a cer\u00e2mica tem alta dureza e resist\u00eancia \u00e0 compress\u00e3o, mas tendem a se encaixar sob tens\u00e3o ou flex\u00e3o. Quando falham, as superf\u00edcies de fratura s\u00e3o tipicamente limpas e facetadas ao longo dos planos de cristal (decote). Um ladrilho de cer\u00e2mica carregado al\u00e9m de sua capacidade desenvolve rachaduras que se propagam atrav\u00e9s do corpo e quebram com uma fratura limpa e semelhante a vidro, com praticamente nenhum rendimento vis\u00edvel.<\/p>\n\n\n\n

Ferro fundido (especialmente ferro fundido cinza):<\/strong>O ferro fundido \u00e9 um metal, mas certas notas s\u00e3o notoriamente quebradi\u00e7as. Se voc\u00ea j\u00e1 viu um antigo bloco de motor fundido ou uma rachadura de tubo de ferro fundido, testemunhou fraturas quebradi\u00e7as. O ferro fundido cinza (nomeado para a cor cinza de sua superf\u00edcie de fratura) possui um teor de carbono relativamente alto; O carbono forma flocos de grafite distribu\u00eddos por toda a matriz de ferro. Esses flocos se comportam como rachaduras internas e concentradores de estresse fortes, para que o metal n\u00e3o se estique muito antes de quebrar. Como resultado, o ferro fundido \u00e9 muito forte em compress\u00e3o (quando apoiado uniformemente), mas pode falhar repentinamente na tens\u00e3o ou no impacto. Por outro lado, o ferro d\u00factil (nodular) \u00e9 um ferro fundido modificado no qual a grafite \u00e9 induzida a formar n\u00f3dulos esf\u00e9ricos (normalmente via tratamento com magn\u00e9sio); \u00c9 muito menos quebradi\u00e7o e se deformar\u00e1 sob impacto, em vez de quebrar. Discutiremos isso ainda mais na se\u00e7\u00e3o de design.<\/p>\n\n\n\n

Concreto:<\/strong>O concreto pode parecer s\u00f3lido e parecido com uma rocha (e \u00e9), mas \u00e9 outro exemplo de material quebradi\u00e7o. Sob compress\u00e3o, o concreto \u00e9 muito forte e pode carregar cargas muito grandes. No entanto, sob tens\u00e3o (puxando ou flex\u00e3o), rachaduras de concreto simples facilmente. A mistura de pasta de cimento e agregado mineral duro forma uma matriz r\u00edgida com capacidade muito limitada de fluir plasticamente, de modo que pequenas cepas de tra\u00e7\u00e3o abertas abertas que se fundem rapidamente. \u00c9 por isso que o concreto refor\u00e7ado \u00e9 t\u00e3o comum: o vergalh\u00e3o de a\u00e7o est\u00e1 incorporado a carregar tens\u00e3o e adicionar ductilidade (e resist\u00eancia). O a\u00e7o pode ceder e esticar, mantendo a se\u00e7\u00e3o unida e fornecendo aviso - as cracks se formam e aumentam gradualmente - em vez de um s\u00fabito colapso quebradi\u00e7o.<\/p>\n\n\n\n

Outros materiais quebradi\u00e7os:<\/strong>Existem muitos outros exemplos. A\u00e7os ferramentas de alto carbono ou altamente endurecido podem ser quebradi\u00e7os se n\u00e3o forem temperados. Um arquivo ou l\u00e2mina de faca muito dura pode se encaixar quando dobrado, porque o carbono e a dureza mais alta reduzem a ductilidade. A grafite, como a l\u00e1pis \"chumbo\", \u00e9 quebradi\u00e7a: sua estrutura em camadas permite que os avi\u00f5es deslizem para deixar uma marca, mas o bast\u00e3o quebra facilmente sob for\u00e7a modesta. Alguns pol\u00edmeros tamb\u00e9m s\u00e3o quebradi\u00e7os. O poliestireno (o pl\u00e1stico r\u00edgido usado em talheres descart\u00e1veis \u200b\u200be em casos de CD antigo) tende a estalar em vez de dobrar.<\/p>\n\n\n\n

Por que alguns materiais s\u00e3o quebradi\u00e7os?<\/h2>\n\n\n\n
\"ductile-fracture-and-brittle-fracture\"<\/figure>\n\n\n\n

Para entender a fragilidade, ajuda a analisar o que acontece dentro de um material nas escalas micro e at\u00f4micas. Os materiais diferem em suas liga\u00e7\u00f5es at\u00f4micas e microestruturas, e essas diferen\u00e7as determinam como elas respondem ao estresse.<\/p>\n\n\n\n

Nos metais cristalinos, a liga\u00e7\u00e3o met\u00e1lica delocalizada e as luxa\u00e7\u00f5es m\u00f3veis normalmente permitem o fluxo pl\u00e1stico. Quando o deslizamento \u00e9 f\u00e1cil, o estresse redistribuem e as pontas de rachaduras s\u00e3o embotadas. Onde a liga\u00e7\u00e3o \u00e9 altamente direcional ou o cristal oferece poucos sistemas de deslizamento oper\u00e1veis, a plasticidade \u00e9 restrita; O estresse se concentra at\u00e9 que uma rachadura nuclee e se propaga.<\/p>\n\n\n\n

A microestrutura decide ent\u00e3o como essa rachadura cresce. Inclus\u00f5es n\u00edtidas, fases segundas duras, poros ou interfaces fracas atuam como locais de lan\u00e7amento e caminhos para rachaduras. A temperatura e a taxa de deforma\u00e7\u00e3o tamb\u00e9m s\u00e3o importantes: temperaturas mais baixas ou taxas de deforma\u00e7\u00e3o mais altas reduzem a plasticidade, empurrando o comportamento em dire\u00e7\u00e3o \u00e0 fratura quebradi\u00e7a. O ambiente pode inclinar o equil\u00edbrio-o hidrog\u00eanio at\u00f4mico acelera a rachadura, enquanto a degrada\u00e7\u00e3o do boundar de gr\u00e3os (por exemplo, corros\u00e3o intergranular ou segrega\u00e7\u00e3o de impureza) reduz a coes\u00e3o ao longo dos limites.<\/p>\n\n\n\n

Simplificando, a fragilidade surge quando as acomoda\u00e7\u00f5es pl\u00e1sticas s\u00e3o escassas e as for\u00e7as que dirigem rachaduras dominam. Se um material n\u00e3o pode mover luxa\u00e7\u00f5es livremente ou dissipar energia na ponta da trinca, a falha \u00e9 repentina e d\u00e1 pouco aviso.<\/p>\n\n\n\n

Como medir ou testar a fragilidade?<\/h2>\n\n\n\n
\"brittleness-test\"<\/figure>\n\n\n\n

Como a fragilidade \u00e9 sobre o comportamento de um material sob estresse (fraturando com pouca deforma\u00e7\u00e3o), n\u00e3o h\u00e1 um \u00fanico \"n\u00famero de fragilidade\", voc\u00ea pode procurar densidade ou ponto de fus\u00e3o; Em vez disso, os engenheiros o caracterizam indiretamente usando testes de ductilidade, resist\u00eancia \u00e0 fratura e energia de impacto.<\/p>\n\n\n\n

Uma das maneiras padr\u00e3o de avaliar o comportamento quebradi\u00e7o \u00e9 um teste de tra\u00e7\u00e3o. Uma amostra de osso de cachorro \u00e9 puxada enquanto a tens\u00e3o e a tens\u00e3o s\u00e3o registradas para gerar uma curva estresse-tens\u00e3o. Uma resposta quebradi\u00e7a \u00e9 um caminho el\u00e1stico quase linear para fraturas repentinas, com pouca ou nenhuma regi\u00e3o de rendimento. Dois indicadores r\u00e1pidos - o alongamento no intervalo e a redu\u00e7\u00e3o da \u00e1rea - s\u00e3o medidas de ductilidade (e indicam inversamente a fragilidade). Um material quebradi\u00e7o mostrar\u00e1 baixo alongamento e redu\u00e7\u00e3o m\u00ednima de \u00e1rea (pouca ou nenhum necking). Para metais, a configura\u00e7\u00e3o e o relat\u00f3rio do teste seguem o ASTM E8.<\/p>\n\n\n\n

Em um teste de impacto em Noth Charpy, uma barra entalhada \u00e9 atingida por um p\u00eandulo oscilante e a perda na energia do p\u00eandulo (da mudan\u00e7a na altura do balan\u00e7o) \u00e9 registrada como a energia absorvida em Joules (J). A baixa energia absorvida indica uma resposta quebradi\u00e7a; Alta energia indica resist\u00eancia. Como o resultado depende do tamanho da amostra e da geometria de Notch, a energia Charpy \u00e9 melhor usada para compara\u00e7\u00f5es e estudos de temperatura, n\u00e3o como uma constante de material fundamental. A execu\u00e7\u00e3o do teste em v\u00e1rias temperaturas mapeia a transi\u00e7\u00e3o d\u00factil para quebradi\u00e7a. Os engenheiros tamb\u00e9m l\u00eaem a superf\u00edcie da fratura: caracter\u00edsticas brilhantes, facetadas\/de clivagem sugerem fraturas quebradi\u00e7as, enquanto uma apar\u00eancia fibrosa e ma\u00e7ante indica uma quebra d\u00factil.<\/p>\n\n\n\n

Outra medida-chave \u00e9 a tenacidade da fratura de deforma\u00e7\u00e3o plana (kIc<\/sub>), um par\u00e2metro de mec\u00e2nica de fratura que quantifica a resist\u00eancia de um material ao crescimento da trinca. \u00c9 determinado a partir de testes de precis\u00e3o em amostras pr\u00e9-embrulhadas e representa o fator cr\u00edtico de intensidade de tens\u00e3o no qual uma rachadura come\u00e7a a se estender. Materiais quebradi\u00e7os t\u00eam baixo kIc<\/sub>E, portanto, de baixa toler\u00e2ncia a falhas - pequenas rachaduras podem causar falha em estresse relativamente baixo, enquanto materiais d\u00facteis dif\u00edceis t\u00eam alto kIc<\/sub>e pode contorcer ou prender rachaduras. Os engenheiros usam dados de fra\u00e7\u00e3o de fatura para definir tamanhos de defeitos e desenhos permitidos contra fraturas repentinas em servi\u00e7o.<\/p>\n\n\n\n

Como evitar falhas quebradi\u00e7as em seu design<\/h2>\n\n\n\n

Como a fragilidade pode levar a falhas catastr\u00f3ficas repentinas, os engenheiros desenvolveram estrat\u00e9gias para lidar com isso - selecionando diferentes materiais ou modificando materiais e projetos para tornar o comportamento quebradi\u00e7o menos perigoso.<\/p>\n\n\n\n