Compreendendo a fragilidade:definição, causas, exemplos e materiais comuns

A fragilidade é uma propriedade do material que descreve sua tendência à fratura com pouca ou nenhuma deformação plástica quando uma tensão é aplicada a ele. O comportamento frágil ocorre quando os átomos de um material não conseguem deslizar uns pelos outros, mantendo a integridade geral da estrutura da rede atômica. As fissuras em materiais frágeis formam-se e propagam-se rapidamente através dos grãos ou ao longo dos limites dos grãos quando são submetidos a tensões suficientemente elevadas. Este processo é normalmente rápido.
Qualquer pessoa que já tenha deixado cair e quebrado um prato ou a ponta de um lápis está familiarizada com materiais quebradiços. Exemplos de materiais frágeis incluem vidro, cerâmica, grafite e ligas com baixa ductilidade, como aços com alto teor de carbono e ferro fundido.
Este artigo revisará o conceito de fragilidade, explicará suas causas e descreverá exemplos de materiais frágeis.

O que é fragilidade?

Fragilidade é a tendência de um material quebrar, rachar ou quebrar facilmente. A fragilidade pode ocorrer em metais, cerâmicas, plásticos, vidro e materiais compósitos.

O que é fragilidade na ciência dos materiais?

Na ciência dos materiais, fragilidade é a propriedade que caracteriza a inclinação de um material à fratura com deformação plástica mínima. Materiais frágeis têm pouca capacidade de absorver energia antes da fratura.

O que é fragilidade em química?

Em química, fragilidade refere-se à incapacidade de um material se deformar devido à sua microestrutura atômica. Algumas microestruturas onde os átomos têm muitos sistemas de deslizamento e têm mais oportunidades de se deslocarem tornam os materiais menos frágeis. Outros, como aqueles em que os átomos têm poucos sistemas de deslizamento, tornam os materiais mais frágeis.

O que é um exemplo de fragilidade?

A fragilidade pode ser uma propriedade inata ou induzida por fatores externos. Os materiais que são inerentemente frágeis incluem vidro, tijolos, cascas de ovo, grafite e metais alcalinos como o magnésio. Os materiais que não são inerentemente frágeis, mas que se tornam fragilizados devido a certos fatores, como temperaturas operacionais frias, corrosão intergranular e fragilização por hidrogênio, incluem aços com baixo e alto teor de carbono e titânio.

Quando ocorre a fragilidade do material?

A fragilidade é uma propriedade física intensiva de um material, o que significa que não é afetada pelo tamanho ou extensão do material. Embora alguns materiais, como a maioria das cerâmicas e vidros, sejam inerentemente frágeis devido às suas estruturas atômicas e à falta de sistemas de deslizamento disponíveis, alguns materiais normalmente dúcteis podem tornar-se frágeis à medida que as temperaturas diminuem.

Normalmente, os materiais dúcteis também podem ser fragilizados pelo hidrogênio ou pela corrosão ao longo dos limites dos grãos. A fragilização por hidrogênio ocorre através de uma variedade de mecanismos complexos que ainda não são completamente compreendidos. A característica comum é que átomos de hidrogênio (e não moléculas de gás H2) se difundem no metal e causam estragos. Os efeitos deletérios podem ser causados ​​pela formação de espécies gasosas que aumentam a pressão interna, pela formação de compostos frágeis no estado sólido ou pelo aumento da taxa de movimento de discordância, o que aumenta a taxa de propagação de trincas no metal.

A corrosão intergranular ocorre quando um metal é atacado preferencialmente por um agente corrosivo no que podem ser pontos fracos em sua superfície:limites entre os grãos. A corrosão intergranular normalmente resulta na deposição de produtos de corrosão frágeis entre os grãos, substituindo o metal normalmente dúctil e proporcionando um caminho de fratura fácil através do material quebradiço indesejado.

Quais são as causas da fragilidade?

As causas da fragilidade não são as mesmas para todos os materiais. A lista abaixo descreve algumas das causas comuns com mais detalhes:

1. Materiais amorfos (como o vidro) não possuem estruturas atômicas organizadas. Não existe uma maneira fácil de os átomos passarem uns pelos outros. As luxações, que são defeitos de nível atômico nos cristais, são fixadas no lugar, tornando os materiais amorfos quebradiços.
2. Fortes ligações iônicas entre átomos carregados resistem ao deslizamento e tornam o material quebradiço. Este é frequentemente o caso com materiais cerâmicos.
3. Baixas temperaturas podem reduzir a energia térmica dos átomos dentro de um material e torná-los mais resistentes ao deslizamento e deslocamento.
4. Materiais com menos sistemas de deslizamento, ou oportunidades de deslocamento de átomos, são mais frágeis do que materiais com mais sistemas de deslizamento.
5. Impurezas ou átomos estranhos em um material podem causar fragilidade. Este é o caso da fragilização por hidrogênio e de algumas ligas como o ferro fundido.

Quais são os diferentes materiais frágeis?

Alguns exemplos de materiais frágeis são descritos abaixo:

1. Vidro

O vidro é um dos materiais frágeis mais conhecidos. É frágil devido à sua estrutura amorfa. O arranjo do vidro em nível atômico carece da estrutura organizada dos materiais cristalinos. Sem planos atômicos organizados que possam deslizar uns contra os outros, a tensão que tende a separar os átomos uns dos outros não pode ser aliviada. Eventualmente excederá a resistência das ligações interatômicas, resultando na formação de fissuras que se propagam rapidamente através do material, fazendo com que ele se quebre repentinamente.

2. Cerâmica

O termo cerâmica é aplicado a uma ampla gama de materiais, como cimento, esmalte, tijolo, porcelana e cerâmica. Para cerâmicas cristalizadas, as estruturas atômicas são compostas principalmente de fortes ligações iônicas entre átomos carregados. Essas ligações iônicas formam cristais que tornam mais difícil o deslizamento dos planos atômicos uns contra os outros. Conseqüentemente, é difícil que os átomos se desloquem, o que torna o material quebradiço.

3. Grafite

A grafite é uma forma cristalina de carbono macia e quebradiça com uma estrutura cristalina hexagonal compacta (HCP). A fragilidade pode ser atribuída à estrutura cristalina de um determinado material e ao número de sistemas de deslizamento que a estrutura possui. Materiais com estruturas cristalinas que possuem menos sistemas de deslizamento são mais frágeis porque seus átomos são mais resistentes ao deslocamento. As estruturas HCP em grafite possuem três sistemas de deslizamento, enquanto os sistemas cúbicos de face centrada (FCC) em outro alótropo de carbono, o diamante, possuem 12 sistemas de deslizamento. Além disso, a grafite possui fortes ligações covalentes entre átomos no mesmo plano, mas ligações fracas entre planos. Tanto isso quanto sua estrutura HCP contribuem para que o grafite seja frágil.

4. Ligas com baixa plasticidade

Ligas com baixa plasticidade, como ferro fundido e titânio, também são exemplos de materiais frágeis. A estrutura cristalina tem um grande impacto na fragilidade de uma liga. Por exemplo, materiais que possuem uma estrutura FCC, como o cobre, são mais dúcteis do que materiais que possuem uma estrutura HCP, como titânio ou magnésio. As estruturas FCC possuem 12 sistemas de deslizamento, enquanto as estruturas HCP possuem apenas 3 sistemas de deslizamento. Ter 3 sistemas de deslizamento torna as estruturas HCP mais frágeis porque os átomos dentro de sua estrutura são mais resistentes ao deslocamento.

Qual é a importância de identificar a fragilidade?

É importante identificar materiais frágeis devido às implicações que os materiais frágeis podem ter na implementação bem-sucedida e na durabilidade de um projeto. Materiais frágeis são frequentemente selecionados para projetos devido à sua alta resistência. No entanto, como os materiais frágeis podem fraturar com pouco ou nenhum aviso, a falha frágil pode ser catastrófica. Recomenda-se selecionar materiais mais dúcteis que possam suportar as cargas exigidas pelo material frágil nos projetos.

Como a fragilidade é determinada?

A fragilidade é determinada completando um teste de tração e calculando a ductilidade de um material. Um material é considerado frágil se apresentar baixa ductilidade durante um teste de tração. O método de teste padrão para a realização de testes de tração em materiais metálicos é ASTM E8. O procedimento correspondente para plásticos pode ser encontrado na ASTM D638. Um teste de tração consiste em preparar um corpo de prova com dimensões padronizadas e, em seguida, aplicar uma carga de tração constantemente crescente até que o corpo de prova se quebre. Os valores de tensão e deformação experimentados pela amostra são registrados e usados ​​para determinar a ductilidade e, indiretamente, sua fragilidade.

Qual é a fórmula para a fragilidade?

Não existe uma fórmula específica para fragilidade. No entanto, a fragilidade de um material pode ser deduzida a partir de uma das duas fórmulas de ductilidade mostradas abaixo:

A ductilidade é definida como a porcentagem do alongamento total experimentado pelo material desde o início do teste até a fratura, ou a redução percentual correspondente da área da seção transversal experimentada por um material na fratura.

Quanto menor a ductilidade medida, mais frágil é considerado o material. A fórmula de alongamento percentual é igual à fórmula para deformação de engenharia.
Veja nosso artigo “Como calcular a ductilidade?” para uma visão geral mais detalhada do tópico da ductilidade. 

Quais são os tipos de fragilidade?

Os dois tipos de fraturas frágeis são transgranulares e intergranulares. Eles são descritos com mais detalhes abaixo:

1. Transgranular:Rachaduras se propagam pelos grãos do material. As fissuras seguem o caminho de menor resistência e mudam de direção para seguir os planos de clivagem mais fracos. Tamanhos de grão grandes (menos limites de grão) permitem que as fissuras se propaguem mais rapidamente porque os limites de grão impedem a extensão da fissura. Portanto, grãos grandes contribuem para níveis mais elevados de fragilidade.
2. Intergranular:As rachaduras se propagam ao longo dos limites dos grãos do material. Isso é comum quando os limites dos grãos são frágeis, o que é causado pela fragilização por hidrogênio e pela corrosão intergranular.

Qual é o oposto da fragilidade?

A ductilidade é considerada o oposto da fragilidade. Ductilidade é a propriedade do material que descreve a capacidade de um material de se deformar plasticamente. Compreender o papel da mecânica da fratura e dos materiais dúcteis versus frágeis é essencial para projetar peças e estruturas seguras, eficazes e duráveis.

A fragilidade é uma propriedade física?

Sim, a fragilidade é uma propriedade física. Caracteriza como os átomos na estrutura física do material interagem entre si quando a tensão é aplicada.

Qual é a diferença entre “frágil” e “frágil?”

“Frágil” e “frágil” são frequentemente usados como sinônimos. No entanto, existem diferenças entre suas definições. “Frágil” descreve simplesmente um material que se quebra facilmente. Embora “frágil” também descreva materiais que se quebram facilmente, refere-se mais especificamente a materiais que são duros, rígidos e sem deformação plástica significativa antes de quebrar. Na ciência dos materiais, “frágil” é mais específico em sua definição, pois indica falta de ductilidade, ou seja, o material fratura com deformação mínima. “Frágil” é um termo mais amplo e pode descrever materiais que podem não ser tecnicamente frágeis, mas que ainda assim são facilmente danificados.

Resumo

Este artigo apresentou fragilidade, explicou o que é e discutiu os diferentes tipos de materiais frágeis. Para saber mais sobre fragilidade, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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