Ductilidade e tenacidade no comportamento dos materiais quanto à fratura

Tenacidade e ductilidade são frequentemente confundidas, mas, em geral, especialmente para aqueles que não estão diretamente envolvidos com engenharia ou ciência dos materiais, mas estão de alguma forma ligadas ao setor metalomecânico. Há uma percepção de que a tenacidade dos metais é uma característica que está associada à “força” ou “resistência” de um material, ou seja, de que metais tenazes são fortes, duráveis, e confiáveis, qualidades valorizadas em uma ampla variedade de aplicações do dia a dia. Já a ductilidade costuma ser relacionada a conceitos de flexibilidade e maleabilidade, ou seja, a capacidade de um metal ser moldado ou esticado sem se romper.

Isso reflete a importância da tenacidade e da ductilidade como características que contribuem para a segurança e longevidade dos produtos e estruturas que utilizamos. No entanto, essas percepções não capturam completamente os respectivos conceitos técnicos.

E, para que você entenda melhor sobre a tenacidade e ductilidade e seus comportamentos quanto à fratura, confira o material que desenvolvemos abaixo!

Como definir a propriedade de ductilidade?

A ductilidade é muitas vezes vista como uma variação de flexibilidade dos metais. Mas não pense na flexibilidade de objetos que permitem várias deformações, como em uma mola, por exemplo. A ductilidade dos metais é a capacidade de um material se deformar plasticamente sem se romper, permitindo que ele seja alongado ou moldado em diferentes formas, como fios ou chapas finas, sem sofrer fratura. Essa propriedade é essencial para diversos processos de fabricação e é uma medida da flexibilidade de um material sob esforço de tração.

Não confunda ductilidade com tenacidade!

A tenacidade nos metais é a capacidade de um material de absorver energia e resistir à fratura quando submetido a deformação ou impacto. Em termos simples, é uma medida da resistência do material à quebra ou à propagação de trincas sob condições de carga.

Basicamente existem 2 tipos de tenacidade:

• Tenacidade ao impacto: medida em ensaios como Charpy ou Izod. Onde uma amostra do material é submetida a um golpe de alta velocidade e, para tal, é utilizado um corpo de provas sem entalhe.
• Tenacidade à fratura: medida pela resistência à propagação de uma trinca ou falha em um material, mesmo na presença de defeitos. Seu método de ensaio é similar ao da tenacidade ao impacto. Porém, utiliza-se um corpo de provas com entalhe padronizado, que tem a finalidade de “simular” a presença de um defeito.

Portanto, para não confundir:

• Tenacidade é medida principalmente por testes de impacto (Charpy, Izod) e testes de tenacidade à fratura, que avaliam a capacidade de um material absorver energia antes da falha.
• Ductilidade é medida por testes de tração, que determinam o alongamento percentual e a redução de área, além de testes de dobras que avaliam a capacidade do material de deformar-se plasticamente sem fraturar.

O tratamento térmico pode interferir na tenacidade e ductilidade?

Sim, o tratamento térmico tem um impacto significativo tanto na tenacidade quanto na ductilidade dos aços, podendo aumentar ou diminuir essas propriedades dependendo dos parâmetros e processos utilizados.

A têmpera, por exemplo, aumenta a dureza do aço, mas pode diminuir a tenacidade e a ductilidade. O rápido resfriamento forma martensita bruta, uma estrutura muito dura, mas também mais frágil. O que pode levar a uma menor capacidade de absorver impacto e maior propensão a trincas e fraturas, ou seja, afeta a tenacidade. A martensita é menos dúctil do que a estrutura original do aço e essa redução da ductilidade torna o aço menos capaz de suportar deformações plásticas antes de se romper.

Por outro lado, o revenimento melhora a tenacidade do aço ao reduzir a fragilidade que pode resultar da têmpera. A formação de uma estrutura constituída de martensita revenida aumenta a capacidade do material de absorver energia antes da fratura. O revenimento também aumenta a ductilidade, tornando o aço mais capaz de se deformar plasticamente sem romper, devido à transformação de martensita bruta em martensita revenida, uma microestrutura mais tenaz e menos propensa a fraturas.

Cuidado com ductilidade e tenacidade demais!

Até agora, falamos sobre os benefícios da tenacidade e da ductilidade, porém, tudo em excesso tem seus malefícios. E nesse assunto, não é diferente.

Um material dúctil e tenaz demais não se mostra adequado para o uso contra forças e impactos constantes. Afinal, essas forças causariam deformações em pouco tempo, necessitando de troca frequente e um gasto maior com ferramentas.

Quando o material chega à indústria em um estado recozido, o seu nível de “flexibilidade” costuma ser alto. Ou seja, costuma apresentar alta tenacidade e ductilidade, mas pode não estar adequado ao uso à que se destina. Pense, por exemplo, em um punção ou uma broca – se estas ferramentas apresentarem alta tenacidade e ductilidade, mas não apresentarem a dureza e a resistência ao desgaste adequadas, não performarão em trabalho. O grande desafio neste caso é escolher o material que melhor equilibre tais propriedades (tendo-se em vista o uso a que se destina) e o tratamento térmico adequado, que realmente consiga extrair do material as melhores propriedades.

Enfim, até aqui ficou mais claro entender que, para um bom uso da ferramenta, precisamos saber o ponto certo de equilíbrio entre as principais propriedades do material, como:

• Tenacidade;
• Ductilidade;
• Resistência ao desgaste;
• Dureza;
• Resistência à compressão.

Mesmo com tratamentos térmicos adequados, uma trinca apareceu. E agora?

O ponto de equilíbrio entre as propriedades do aço, como: tenacidade, ductilidade, resistência ao desgaste e dureza, é fundamental para o desempenho de uma peça ou estrutura em aplicações específicas.

Estas propriedades, muitas vezes estão em uma relação de compromisso, onde o aumento de uma pode resultar na diminuição de outra. Encontrar o ponto de equilíbrio ideal depende do uso pretendido do aço e dos requisitos da aplicação.

Ainda assim, encontrar o ponto de equilíbrio destas propriedades não significa que a ferramenta será indestrutível. Ou seja, com o tempo, problemas podem surgir por conta de fadigas, tensões etc.

Também é muito importante identificar o mecanismo de falha inicial. Muitas vezes, notamos o mecanismo de falha final, ou seja, a consequência de algo que aconteceu antes. Para exemplificar, vamos novamente imaginar um punção que tem a vida útil limitada por uma quebra. O pensamento natural seria: se está quebrando, precisamos de mais tenacidade. Então vamos baixar a dureza e/ou optar por um material com maior resistência à quebra e, após novo teste, o punção quebra ainda antes. O que poderia estar ocorrendo?

Muitas vezes a quebra é a consequência de algum outro problema. No caso do punção, poderia, por exemplo, estar havendo aderência do material processado na área de trabalho, formando o que chamamos de aresta postiça de corte. Este tipo de situação, eleva o nível de tensões, pois exige maiores esforços de corte. Estas tensões podem chegar a tal ponto de causar a quebra da ferramenta. Neste caso, a solução não é um material com maior tenacidade, mas sim um material com maior resistência ao desgaste adesivo e/ou um trabalho buscando uma condição superficial da ferramenta mais adequada, como aplicação de nitretação ou revestimentos, além de melhor acabamento superficial.

Atenção aos fatores além da trinca!

Uma outra possibilidade para a quebra poderia ser um “engordamento” do punção durante o trabalho, justamente por ser muito dúctil e não aguentar os esforços de compressão deste tipo de operação. Ou seja, o punção se deforma e com isso aumenta as tensões, que podem levar à quebra. A solução aqui costuma ser exatamente o oposto, ou seja, não é a busca de um material com maior tenacidade e ductilidade, mas sim a escolha de um material com maior dureza e maior resistência à compressão.

Portanto, o ponto de equilíbrio entre propriedades como: tenacidade, ductilidade, resistência ao desgaste e dureza no aço, é alcançado através da seleção de composições adequadas de liga, tratamentos térmicos, e processos de fabricação, sempre considerando as exigências da aplicação final. Entender e controlar esses compromissos é crucial para otimizar o desempenho do aço em usos específicos.

Por fim, espero que nossa explicação sobre tenacidade e ductilidade e a sua atuação nas ferramentas tenha sido satisfatória. Para ver mais conteúdo como este, acesse o nosso INFOTEC e confira os outros materiais que disponibilizamos no site. E se você precisa falar com um de nossos especialistas para tirar suas dúvidas, é só entrar em contato.

Obrigado pela companhia e até a próxima!