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6 • Capítulo 1 • Os barcos alemães classe U estavam afundando navios cargueiros mais rapidamente do que eles podiam ser repostos usando as técnicas de construção existentes. Consequentemente, tornou-se necessário revolucionar os métodos de construção para a fabricação de navios cargueiros mais rapidamente e em maior número. Isso foi feito com a utilização de lâminas de aço pré-fabricadas que eram montadas usando-se solda, em vez do método convencional e demorado de uso de rebites. Infelizmente, as trincas em estruturas soldadas podem se propagar sem impedimentos ao longo de grandes distâncias, o que pode levar a uma falha catastrófica. Contudo, quando as estruturas são rebitadas, uma trinca deixa de se propagar quando ela atinge a aresta da chapa de aço. • Defeitos nas soldas e descontinuidades (isto é, sítios em que pode haver a formação de trincas) foram introduzidos por operadores inexperientes. Algumas medidas remediadoras que foram tomadas para corrigir esses problemas incluíram o seguinte: • Redução da temperatura, da transição de dúctil para frágil, do aço até um nível aceitável, mediante uma melhoria na qualidade do aço (por exemplo, pela redução dos teores das impurezas de enxofre e fósforo). • Arredondamento dos cantos das escotilhas, mediante a solda de uma tira de reforço curvada em cada canto. 7 • Instalação de dispositivos de supressão de trincas, tais como tiras rebitadas e cordões de solda resistentes, para interromper a propagação de trincas. • Melhoria na prática de soldagem e estabelecimento de códigos de soldagem. Apesar das falhas, o programa de embarcações da classe Liberty foi considerado um sucesso por várias razões; a principal delas foi que os navios que sobreviveram à falha foram capazes de suprir as Forças Aliadas no teatro de operações e, muito provavelmente, encurtaram a guerra. Além disso, foram desenvolvidos aços estruturais, com resistência amplamente aprimorada às fraturas frágeis catastróficas. As análises detalhadas dessas falhas possibilitaram maior compreensão da formação e do crescimento de uma trinca, e isso contribuiu para o surgimento da Mecânica da Fratura como área de conhecimento. 7 O leitor pode observar que os cantos das janelas e portas de todas as estruturas marinhas e aeronáuticas são atualmente arredondados. materiais diferentes. Uma explicação sucinta dessas classificações de materiais e das suas características representativas será apresentada a seguir. Outra categoria é a dos materiais avançados — aqueles que são usados em aplicações de alta tecnologia, como os semicondutores, os biomateriais, os materiais inteligentes e os materiais “nanoengenheirados”, que serão discutidos na Seção 1.5. Metais Os metais são compostos por um ou mais elementos metálicos (por exemplo, ferro, alumínio, cobre, titânio, ouro e níquel), e com frequência também por elementos não metálicos (por exemplo, carbono, nitrogênio, oxigênio) em quantidades relativamente pequenas. 8 Os átomos nos metais e nas suas ligas estão arranjados de uma maneira muito ordenada (como discutido no Capítulo 3) e, em comparação às cerâmicas e aos polímeros, são relativamente densos (Figura 1.4). Quanto às características mecânicas, esses materiais são relativamente rígidos (Figura 1.5) e resistentes (Figura 1.6), e ainda assim são dúcteis (isto é, são capazes de se deformar intensamente sem sofrer fratura), e resistentes à fratura (Figura 1.7); por isso são amplamente utilizados em aplicações estruturais. Os materiais metálicos possuem grande número de elétrons livres. Esses elétrons não estão ligados a qualquer átomo em particular. Muitas das propriedades dos metais podem ser atribuídas diretamente a esses elétrons. Por exemplo, os metais são bons condutores de eletricidade (Figura 1.8) e de calor e não são transparentes à luz visível; uma superfície metálica, polida, possui uma aparência brilhosa. Além disso, alguns metais (isto é, Fe, Co e Ni) têm propriedades magnéticas interessantes. A Figura 1.9 mostra vários objetos comuns e familiares que são feitos de materiais metálicos. Os tipos e as aplicações dos metais e das suas ligas serão discutidos no Capítulo 11. 8 A expressão liga metálica refere-se a uma substância metálica que é composta por dois ou mais elementos.
Introdução • 7 Densidade (g/cm 3 ) (escala logarítmica) 40 20 10 8 6 4 2 1,0 0,8 0,6 0,4 Metais Platina Prata Cobre Ferro/Aço Titânio Alumínio Magnésio Cerâmicas ZrO 2Al2 O 3 SiC,Si 3 N 4 Vidro Concreto Polímeros PTFE PVC PS PE Borracha Compósitos CRFV CRFC Madeiras Figura 1.4 Gráfico de barras dos valores da massa específica à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos. 0,2 0,1 Rigidez [módulo de elasticidade (ou Módulo de Young) (em unidades de gigapascal)] (escala logarítmica) 1.000 100 10 1,0 0,1 0,01 Metais Tungstênio Ferro/Aço Titânio Alumínio Magnésio Cerâmicas SiC AI 2 O 3 Si 3 N 4 ZrO 2 Vidro Concreto Polímeros PVC PS, Náilon PTFE PE Borrachas Compósitos CRFC CRFV Madeiras Figura 1.5 Gráfico de barras dos valores da rigidez (isto é, do módulo de elasticidade) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos. 0,001 Resistência (limite de resistência à Tração, em unidades de megapascal) (escala logarítmica) 1.000 100 10 Metais Ligas de aço Ligas de Cu, Ti Ligas de alumínio Ouro Figura 1.6 Compósitos Cerâmicas CRFC Si 3 N 4 CRFV SiC Al 2 O 3 Vidro Náilon PS PE Polímeros PVC PTFE Madeiras Gráfico de barras dos valores da resistência (isto é, do limite de resistência à tração) à temperatura ambiente para vários materiais metálicos, cerâmicos, polímeros e compósitos.
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