Avaliação do comportamento de superfícies de fratura por fractais mistos em cerâmicos, polímeros, ligas metálicas e compósitos de matriz polimérica

Resumo

Superfícies de fratura expressam a seqüência de eventos de liberação de energia com a propagação de trincas, mostrando a relação entre os componentes da estrutura, campos de tensões locais e a formação de texturas típicas em seu relevo. No caso de ligas metálicas, a evolução das formações topográficas pode indicar as linhas de ação de carga, a dinâmica do processo de fratura, falhas de uso ou de processamento, e outros. Assim, a fractografia quantitativa, com o uso cada vez maior destes materiais em aeronaves, pode ampliar seu papel na investigação de falhas estruturais ou como ferramenta para o desenvolvimento de processos e produtos. Para tanto, é preciso adequar ou criar abordagens para o estudo quantitativo de relevos. A presente proposta baseia-se em resultados obtidos pelo grupo na medição da topografia de superfícies, usando técnicas como a reconstrução por extensão de foco na microscopia óptica ou o mapeamento topográfico usando microscopia de força atômica, para a análise do comportamento fractal de texturas formadas pelos detalhes de relevo. Estes resultados preliminares, obtidos na análise de compósitos carbono-epóxi e de corpos cerâmicos de titânia rompidos em ensaios de tenacidade à fratura em modo I de carregamento, sugerem que as superfícies de fratura podem ser descritos por fractais mistos e que os valores fractais relativos à micro-escala (ou "estruturais") mostram correlação com a ocorrência de micromecanismos de fratura e os valores locais de tenacidade. A hipótese a ser testada nesta proposta de doutorado é a de que esse comportamento é comum a uma ampla gama de materiais, em regime linear-elástico ou elasto-plástico de fratura, em diferentes modos de carregamento. Isso exigirá uma ampla gama de materiais analisados e alguma diversidade de ensaios mecânicos, próprios às classes de materiais propostos, sempre usando os métodos de reconstrução por extensão de foco, baseados na microscopia óptica, e, eventualmente, levantamentos topográficos em microscópio de força atômica. Serão avaliadas as seguintes situações, reunindo-se os dados levantados experimentalmente por todo o grupo de pesquisadores envolvidos:a) Fratura em modos I e II de carregamento, em ensaios de flexão semi-circular (SCB, da expressão em língua inglesa "semi-circular bending") de corpos de prova moldados em resina epóxi;b) Fratura em modos I e II de carregamento, em ensaios SCB de corpos de prova cerâmicos de titânia (TiO2) obtidos por prensagem uniaxial;c) Fratura em modo I de carregamento em corpos de prova de compósito carbono-epóxi para ensaios DCB ("double cantilever beam");d) Fratura em modo II de carregamento para corpos de prova de compósito carbono-epóxi ensaiados pelo método ENF ("end notched flexure");e) Fratura em modo I de carregamento para ensaios CTOD para as seguintes ligas metálicas: aços 15-5PH, 300M e SAE-4340; liga de alumínio AA7475 e liga de titânio Ti-6Al-4V.Em resumo, após os ensaios, as investigações das áreas selecionadas sobre as superfícies de fratura serão realizadas, prioritariamente, a partir de pilhas de imagens obtidas por microscopia óptica e processadas para levantamento do relevo e da distribuição de texturas formadas nas superfícies fraturadas. Técnicas de microscopia de força atômica também serão empregadas, quando o comportamento das oscilações de relevo for comedido o bastante para seu uso, em regiões de comportamento aproximadamente linear elástico, visando testar os limites de autossimilaridade ou autoafinidade das superfícies.