Fractografia correlativa: convergência de técnicas de microscopia e processamento digital de imagens para a caracterização quantitativa e qualitativa de micromecanismos de fratura

Resumo

A fractografia é uma ferramenta importante na investigação de falhas ou no aprimoramento de materiais para fins estruturais. Técnicas de investigação fractográfica, quando voltadas à discriminação dos micromecanismos, tendem a se tornar muito caras, por envolver equipamentos como microscópios eletrônicos de varredura. Em projetos anteriores, o grupo proponente deste projeto desenvolveu metodologias para a reconstrução de superfícies baseadas no processamento digital de imagens obtidas por microscopia óptica, usando programas de domínio público. Assim, este projeto tem uma componente importante para a redução do custo de investigações de falhas, ao propor o conceito de "fractografia correlativa", para compor um atlas de imagens de fratura em microscópio óptico, "traduzidas" por imagens das mesmas regiões obtidas em microscópio eletrônico de varredura, com maior definição e mais ampla cultura de interpretação.Outra componente do projeto envolve a fractografia quantitativa por análise do comportamento fractal. 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. Por exemplo, 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 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 a reconstrução por extensão de foco na microscopia óptica para a análise do comportamento fractal de texturas formadas pelos detalhes de relevo. Estes resultados preliminares foram obtidos na análise de ligas metálicas de uso aeronáutico, compósitos carbono/epóxi e de corpos cerâmicos de titânia rompidos em ensaios de tenacidade à fratura em modo I de carregamento e, em todos os casos, as superfícies de fratura podem ser descritas por fractais mistos, compostos por valores relativos à macroescala ou à microescala. Para os compósitos, os valores fractais relativos à microescala (ou "estruturais") mostram correlação com a ocorrência de micromecanismos de fratura e os valores locais de tenacidade, já para o aço 15-5PH, por exemplo, são os valores fractais da macroescala (ou "texturais") que encontram forte correlação com a tenacidade à fratura. A hipótese a ser testada nesta proposta é a de que os regimes de carregamento e a resposta plástica dos materiais é que definem a escala que governa a descrição do relevo.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 avaliados diversos materiais, entre ligas metálicas, compósitos de uso aeronáutico, polímeros e cerâmicos, em modos I e II de carregamento, entre os regimes linear-elástico e elasto-plástico, este em condições mais restritas. Também serão avaliadas superfícies de ligas metálicas fraturadas em ensaios de propagação de trincas por fadiga, para avaliar possíveis correlações entre valores fractais e a equação de Paris.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, visando testar os limites de auto-similaridade ou auto-afinidade das superfícies. (AU)