Tenacidade ao impacto do aço e ensaio Charpy

O que significa a tenacidade ao impacto do aço — e o que a energia Charpy não significa

Tenacidade ao impacto versus resistência, ductilidade e tenacidade à fratura

A tenacidade ao impacto é a resistência de um material à fratura quando uma carga é aplicada rapidamente, muitas vezes por meio de um entalhe que concentra tensões. Ela não é a mesma propriedade que a resistência mecânica, a ductilidade à tração ou a tenacidade à fratura, embora todas possam afetar o resultado.

O limite de escoamento descreve a tensão na qual começa a deformação plástica durante um ensaio de tração. A resistência à tração é a tensão de engenharia máxima atingida nesse ensaio. Nenhum desses valores indica como um aço contendo uma trinca aguda se comportará durante um evento de carregamento rápido. Um aço de alta resistência pode apresentar baixa resistência à fratura por clivagem, particularmente em baixa temperatura, enquanto um aço de menor resistência pode absorver uma quantidade substancial de energia de impacto.

A ductilidade descreve a deformação plástica antes da fratura, normalmente por meio do alongamento ou da redução de área em um corpo de prova de tração. A tenacidade ao impacto inclui um efeito da taxa de carregamento e um efeito do entalhe que a ductilidade à tração convencional não reproduz. Um corpo de prova Charpy entalhado tem pouca oportunidade de redistribuir as tensões por meio de uma deformação uniforme. Portanto, o entalhe torna a restrição local e a iniciação da trinca aspectos centrais do ensaio.

A energia absorvida no ensaio Charpy não é um valor de KIC nem uma medição completa da tenacidade à fratura. Strong evidence

Tenacidade à fraturaTenacidade à fratura Uma propriedade de resistência à propagação de trincas medida sob condições definidas de geometria do corpo de prova, carregamento, espessura, trinca e validade.

A tenacidade à fratura é uma classe diferente de propriedade. Valores como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou o deslocamento de abertura da ponta da trinca (CTOD) descrevem a resistência de uma trinca preexistente à propagação sob condições definidas de corpo de prova, espessura, carregamento e validade. $K_{\mathrm{IC}}$, por exemplo, é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana obtido sob condições destinadas a suprimir os efeitos do tamanho do corpo de prova e da plasticidade. Um entalhe em V Charpy é suficientemente agudo para favorecer a iniciação da fratura, mas não constitui um corpo de prova de tenacidade à fratura pré-trincado por fadiga, e sua energia absorvida não é um valor de $K_{\mathrm{IC}}$.

O comportamento de arresto de trincas também deve ser mantido separado. Um material pode resistir à iniciação de uma trinca, mas oferecer uma resistência diferente à propagação de uma trinca em movimento. Para aços de dutos, o ensaio de rasgamento por queda de peso examina o comportamento de arresto de trincas medindo as frações de cisalhamento dúctil e de clivagem nas superfícies de fratura em uma faixa de temperaturas de impacto. Esse método não é intercambiável com o ensaio Charpy.

Por que a energia absorvida é um indicador indireto do material

Em um ensaio Charpy convencional, um pêndulo golpeia um corpo de prova entalhado e simplesmente apoiado. A diferença entre a energia inicial e a energia final do pêndulo indica o trabalho absorvido pelo corpo de prova e, na prática, por algumas perdas associadas consideradas pelo procedimento de ensaio. O resultado é apresentado como energia de impacto absorvida, normalmente em joules. Em 2024, o NIST descreveu o ensaio Charpy como um ensaio com alta taxa de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto.

[1][1] ISO 148-1:2016 Metallic materials — Charpy pendulum impact test — Part 1: Test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2016.

“Indireta” é a palavra importante. A energia medida combina vários eventos: deformação plástica próxima ao entalhe, iniciação da trinca, propagação estável ou instável da trinca, efeitos de atrito e da máquina e o processo final de fratura. Ela não é uma constante única do material que possa ser transferida sem alterações para toda geometria de componente ou taxa de carregamento. A ASTM E23 abrange ensaios de impacto Charpy de viga simplesmente apoiada e Izod de viga em balanço, incluindo requisitos para os corpos de prova, procedimentos, verificação da máquina, apresentação dos resultados e determinação da aparência da fratura por cisalhamento. A ISO 148-1:2016 especifica o ensaio de impacto pendular Charpy com entalhe em V e entalhe em U para materiais metálicos. O tipo de entalhe é importante; os resultados com entalhe em V e em U não devem ser tratados como equivalentes sem uma base especificada.

A aparência da fratura fornece evidências que o número da energia, por si só, não pode fornecer. O rasgamento dúctil geralmente requer uma deformação plástica substancial e absorve mais energia. A fratura dominada por clivagem normalmente absorve menos energia. A porcentagem de fratura por cisalhamento, a expansão lateral e a posição de um resultado em uma curva de transição dúctil-frágil podem, portanto, alterar a interpretação de engenharia da mesma energia nominal.

O ensaio instrumentado pode acrescentar informações sobre a resposta força-tempo ou força-deslocamento. A ISO 14556:2023 especifica o ensaio Charpy instrumentado com entalhe em V e os equipamentos utilizados para medir e registrar comportamentos adicionais da fratura; a ISO 148-1:2016 não abrange esse método instrumentado. A condição da máquina também é importante. A ASTM E23 e a ISO 148-2 fornecem requisitos de verificação, e o Programa de Verificação de Máquinas Charpy do NIST utiliza corpos de prova certificados para verificações periódicas das máquinas.

O perigo de tratar um único valor Charpy como uma propriedade universal

Uma afirmação como “este aço tem tenacidade Charpy de 80 J” é incompleta. A temperatura pode não ter sido informada. O mesmo pode ocorrer com a geometria do entalhe, a orientação do corpo de prova, a espessura da chapa, a condição de tratamento térmico, o local de amostragem, a direção do ensaio, o número de corpos de prova, a norma aplicável e a aparência da fratura. Cada omissão pode alterar o significado do resultado.

Os aços ferríticos normalmente apresentam uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Portanto, um resultado à temperatura ambiente pode oferecer pouca garantia sobre o comportamento em uma temperatura de serviço mais baixa. Mesmo dentro da região de transição, pequenas variações de temperatura podem produzir grandes mudanças na energia e no modo de fratura. A energia do patamar superior, a energia da região de transição e o comportamento do patamar inferior resultam de mecanismos de fratura diferentes; por isso, são necessárias correlações separadas quando os dados Charpy são utilizados para estimar um valor inferior de tenacidade à fratura. Essas correlações podem apoiar uma triagem de engenharia para condições definidas de aços ferríticos; elas não transformam a energia absorvida em tenacidade à fratura em deformação plana.

Um resultado Charpy não pode ser interpretado independentemente do plano de amostragem e da orientação do corpo de prova. Strong evidence

[2][2] ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

A orientação do corpo de prova é outra variável decisiva. Um corpo de prova Charpy longitudinal amostra o aço de maneira diferente de um corpo de prova transversal ou na direção da espessura, porque a direção de laminação, as inclusões, a bandagem e a estrutura de grãos afetam a propagação da trinca. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios Charpy longitudinais com entalhe em V de aços estruturais e distingue as frequências de ensaios por corrida das frequências de ensaios por peça. Portanto, a amostragem faz parte do resultado, não sendo um detalhe administrativo acrescentado após o ensaio.

A avaliação do NIST de 2011 sobre corpos de prova Charpy com ranhuras laterais constatou que essas ranhuras reduzem a deformação plástica acumulada nas energias do patamar superior e favorecem a formação de splitting, sendo a intensidade dessa formação máxima próxima à temperatura de transição dúctil-frágil. Essa constatação ilustra por que a geometria do corpo de prova pode alterar tanto a energia medida quanto a superfície de fratura.

Um resultado Charpy é útil quando apresentado como uma observação de ensaio definida: a condição do material, a norma, o entalhe, a orientação, a temperatura, o plano de amostragem, a energia e a aparência da fratura em conjunto. Sem esse contexto, um único número não é uma propriedade universal do aço e não pode, por si só, estabelecer a segurança do serviço quanto à fratura.

O ensaio de pêndulo de Charpy: corpo de prova, entalhe e evento de fratura

Corpos de prova Charpy com entalhe em V e entalhe em U padronizados

Um ensaio de Charpy utiliza uma pequena barra retangular com um entalhe usinado em uma das faces. O corpo de prova é colocado horizontalmente sobre dois apoios e então golpeado por um pêndulo na face oposta ao entalhe. Essa configuração força a trinca a se iniciar em um local controlado e a se propagar através do ligamento remanescente. O resultado não é simplesmente uma propriedade “do aço”; é a resposta de um corpo de prova específico, com determinado entalhe, orientação, temperatura e condição do material.

A ISO 148-1:2016 especifica o ensaio de impacto por pêndulo Charpy com entalhe em V e entalhe em U para materiais metálicos. As designações entalhe em V e entalhe em U descrevem o perfil do entalhe, e não dois resultados de ensaio intercambiáveis. Um entalhe em V tem lados inclinados que se encontram em um raio de raiz controlado, produzindo uma concentração de tensão relativamente aguda. Um entalhe em U tem uma raiz arredondada e, portanto, um campo de tensões local diferente. A profundidade do entalhe, o ângulo incluído, o raio da raiz, as dimensões do corpo de prova e o acabamento superficial são prescritos pela norma aplicável. Pequenos desvios podem alterar a iniciação da trinca e a deformação plástica antes da fratura.

Dimensão nominal (mm)

O corpo de prova Charpy de tamanho completo mais comumente utilizado mede nominalmente 10 mm × 10 mm × 55 mm, embora a norma aplicável e a especificação do produto determinem as dimensões permitidas e as alternativas de tamanho reduzido. Para um corpo de prova com entalhe em V, o entalhe normalmente tem 2 mm de profundidade, um ângulo incluído de 45 graus e um raio de raiz especificado. Esses valores descrevem uma geometria padronizada, e não uma receita geral para qualquer corpo de prova de impacto. As dimensões do entalhe em U também seguem a norma selecionada e não devem ser inferidas a partir da prática aplicável ao entalhe em V.

A ASTM E23 abrange tanto os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada quanto os ensaios de impacto Izod em viga engastada. Essa distinção é importante. Um corpo de prova Izod é fixado como uma viga engastada e golpeado acima do apoio, enquanto um corpo de prova Charpy é apoiado em ambas as extremidades. Um valor obtido por um método não pode ser rotulado novamente como sendo do outro método. A ASTM E23 também aborda os requisitos para os corpos de prova, os procedimentos, a verificação da máquina, a apresentação dos resultados e a determinação da aparência da fratura por cisalhamento.

O entalhe geralmente é orientado de modo que o percussor carregue a face sem entalhe e que o entalhe fique no lado tracionado da seção submetida à flexão. A iniciação da trinca ocorre então na raiz do entalhe à medida que o ligamento se dobra. A orientação do corpo de prova também deve ser informada. Em uma chapa laminada, por exemplo, um corpo de prova Charpy V longitudinal avalia uma combinação diferente de direção de laminação, inclusões, bandamento e estrutura dos grãos em comparação com um corpo de prova transversal ou na direção da espessura. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios Charpy V longitudinais de aços estruturais e distingue as frequências de ensaios por corrida e por peça. A amostragem, portanto, faz parte do significado do resultado relatado.

Impacto por pêndulo e cálculo da energia absorvida

Antes da liberação, o pêndulo é elevado a uma altura definida e recebe uma energia potencial conhecida. Ele oscila para baixo, golpeia o corpo de prova a uma velocidade controlada, fratura ou dobra a barra e sobe, no lado oposto, até uma altura menor. De forma simplificada, a energia absorvida é

$$E=\mathrm{mg}(h_1-h_2),$$

em que $m$ é a massa efetiva do pêndulo, $g$ é a aceleração gravitacional e $h_1$ e $h_2$ são as alturas inicial e final do pêndulo. As máquinas reais levam em conta perdas mecânicas, atrito, resistência do ar, geometria do percussor e calibração da máquina. O valor exibido é convencionalmente informado em joules.[3][3] Charpy Machine Verification Program. National Institute of Standards and Technology. NIST program resource, 2024.

O NIST descreve o ensaio de Charpy como um ensaio com alta taxa de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto. As máquinas são verificadas periodicamente por meio de procedimentos como o NIST Charpy Machine Verification Program, utilizando corpos de prova certificados conforme a ASTM E23 e a ISO 148-2. A verificação estabelece que a máquina produz resultados aceitáveis; ela não elimina a variação causada pela composição química do aço, pelo tratamento térmico, pela preparação do corpo de prova ou pela amostragem.

A energia inclui mais do que a energia necessária para criar uma nova superfície de trinca. Ela também inclui a flexão elástica e plástica, a iniciação da trinca, o rasgamento estável, os efeitos do atrito e outras deformações que ocorrem durante o evento. Um valor alto frequentemente acompanha o rasgamento dúctil, enquanto um valor baixo geralmente acompanha uma fratura dominada por clivagem, mas a energia, por si só, não identifica o processo completo de fratura. A superfície fraturada deve ser examinada, e a aparência da fratura por cisalhamento deve ser registrada quando exigido.

A temperatura pode alterar acentuadamente o resultado. Aços ferríticos, como muitos tipos de aços estruturais de carbono e de baixa liga, podem apresentar uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Um único valor obtido à temperatura ambiente não pode representar o comportamento à temperatura de projeto no inverno, em uma zona termicamente afetada de uma solda ou durante um evento de propagação rápida de trinca em serviço. A energia Charpy pode fundamentar correlações especificadas para estimar a tenacidade à fratura no limite inferior em aços ferríticos, mas aplicam-se relações distintas ao patamar inferior, à região de transição e ao patamar superior. Ela não é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana nem estabelece diretamente o desempenho de arresto de trincas. O ensaio de propagação de rasgo por queda de peso é um método separado para avaliar o comportamento de arresto de trincas em aços para dutos, medindo as frações de cisalhamento dúctil e de clivagem em diferentes temperaturas de impacto.

Geometria de viga simplesmente apoiada, condições de apoio e orientação do entalhe

O corpo de prova Charpy comporta-se aproximadamente como uma viga simplesmente apoiada durante o impacto. Suas extremidades repousam sobre bigornas a uma distância prescrita, enquanto o percussor aplica uma carga concentrada próxima ao ponto médio. Os apoios, o vão, o raio do percussor, a folga, o alinhamento e a velocidade de impacto influenciam a tensão de flexão e o nível de restrição ao redor do entalhe. Um corpo de prova mal assentado, desalinhado, danificado ou golpeado fora do local especificado pode produzir um valor enganoso mesmo quando suas dimensões parecem corretas.

A orientação do entalhe controla qual direção do material é posicionada transversalmente ao caminho da trinca. A textura de laminação, as inclusões alongadas, a estrutura de solidificação da solda, a segregação e a deformação prévia podem fazer com que os resultados longitudinais, transversais e na direção da espessura sejam substancialmente diferentes. Marcas de usinagem, raio de raiz excessivo, rebarbas, corrosão e o calor gerado durante a preparação também podem alterar a iniciação da trinca. A comparabilidade exige a mesma norma, o mesmo tipo de entalhe, as mesmas dimensões, orientação, temperatura, configuração de apoio e histórico de preparação.

As ranhuras laterais ilustram como a geometria pode modificar ainda mais o comportamento da fratura. Em 2011, o NIST relatou que as ranhuras laterais reduzem o acúmulo de deformação plástica em energias do patamar superior e promovem a formação de delaminações; a gravidade dessa formação é máxima próxima à temperatura de transição dúctil-frágil. Esses corpos de prova podem ser úteis para uma investigação definida, mas seus resultados não devem ser combinados com valores Charpy comuns sem que o método seja declarado.[4][4] ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. International Organization for Standardization. ISO standard, 2023.

A ISO 14556:2023 especifica o ensaio instrumentado de impacto por pêndulo Charpy V, que registra força e deslocamento, ou sinais relacionados, para fornecer informações adicionais sobre o comportamento da fratura. A ISO 148-1:2016 não substitui o ensaio convencional de energia por esse método instrumentado. O resultado convencional de Charpy é uma resposta padronizada a um único evento de impacto controlado — e não uma simulação direta de toda e qualquer trinca em serviço, histórico de carregamento, condição de restrição ou problema de arresto de trincas.

ASTM E23, ISO 148-1:2016 e ISO 14556:2023

Os resultados de Charpy são medições padronizadas, mas não são automaticamente intercambiáveis entre diferentes normas. Um valor reportado depende do corpo de prova, do entalhe, da orientação, da temperatura de ensaio, da máquina de pêndulo, do status de verificação, da condição do material e das regras de apresentação dos resultados. Ele também descreve a energia de impacto absorvida — não a tenacidade à fratura em deformação plana, a resistência à propagação de trincas ou todos os aspectos do comportamento à fratura.

O NIST descreve o ensaio de Charpy como um ensaio com alta taxa de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto (NIST, 2024). Essa distinção é importante para aços ferríticos, que normalmente passam por uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Portanto, um resultado obtido à temperatura ambiente pode ocultar uma redução acentuada da energia a uma temperatura de serviço mais baixa.

O que a ASTM E23 controla e reporta[5][5] ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International. ASTM International standard, 2025.

A ASTM E23 abrange tanto os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada quanto os ensaios de impacto Izod em viga em balanço (ASTM International, 2025). Para ensaios Charpy, seus requisitos abrangem as dimensões do corpo de prova e os detalhes do entalhe, o apoio e a orientação do corpo de prova, o procedimento de ensaio, a operação e a verificação da máquina e a apresentação dos resultados. A norma também inclui a determinação da aparência da fratura por cisalhamento, permitindo que a superfície de fratura complemente o resultado de energia absorvida.

Essa abrangência faz com que o número reportado seja mais do que uma simples leitura do pêndulo, mas não transforma o ensaio em uma medição direta da tenacidade à fratura. A máquina registra a diferença de energia associada ao corpo de prova fraturado, normalmente reportada em joules ou libras-pé. O valor só é significativo quando acompanhado do tipo de entalhe, da orientação do corpo de prova, da temperatura de ensaio, da identificação do material e do requisito de aceitação aplicável.

A condição da máquina faz parte da cadeia de medição. As máquinas Charpy são verificadas periodicamente com corpos de prova de referência certificados, de acordo com a ASTM E23 e a ISO 148-2, por meio de programas como o Charpy Machine Verification Program do NIST. Uma máquina que não tenha atendido aos requisitos de verificação aplicáveis pode produzir um resultado numericamente preciso, mas ainda assim inadequado para comparação.

A ASTM E23 também não define todo o significado da amostragem para cada produto de aço. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios longitudinais Charpy com entalhe em V de aços estruturais e diferencia as frequências de ensaios por corrida das frequências de ensaios por peça. Assim, dois resultados obtidos pelo mesmo procedimento de impacto podem representar diferentes níveis de controle da produção se seus planos de amostragem forem diferentes.

A aparência da fratura fornece evidências que a energia, por si só, não pode fornecer. A fratura dúctil por cisalhamento geralmente absorve mais energia, enquanto a fratura frágil predominantemente por clivagem geralmente absorve menos. O percentual de fratura por cisalhamento pode identificar a posição de um corpo de prova em uma curva de transição, embora as medições da aparência devam seguir o procedimento de apresentação dos resultados aplicável. Um resultado de alta energia no patamar superior não estabelece um valor específico de $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou tenacidade à propagação de trincas.

Escopo da ISO 148-1:2016 para ensaios Charpy convencionais

A ISO 148-1:2016 especifica ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e com entalhe em U para materiais metálicos (ISO, 2016). Ela define a configuração convencional do ensaio: um corpo de prova entalhado é apoiado como uma viga simplesmente apoiada e fraturado por um percutor de pêndulo sob condições especificadas. A energia absorvida resultante é um valor de impacto definido pelo método, não uma constante universal do material.

As configurações com entalhe em V e em U não são intercambiáveis. A geometria do entalhe modifica a concentração de tensões, a deformação plástica, a iniciação da trinca e a energia necessária para fraturar o corpo de prova. Portanto, as dimensões do corpo de prova, a forma do entalhe, a orientação, a temperatura, os detalhes do percutor e a verificação da máquina devem acompanhar qualquer comparação entre resultados da ISO 148-1:2016 e resultados de outro método.

A ISO 148-1:2016 exclui os ensaios Charpy instrumentados. Ela trata do ensaio convencional com pêndulo e da determinação da energia absorvida; as medições que exigem o registro de força e deslocamento pertencem à ISO 14556. A ISO 148-2 trata da verificação das máquinas de impacto pendular Charpy; portanto, a conformidade com a ISO 148-1:2016 não deve ser interpretada como prova de que uma máquina não verificada produz dados comparáveis.[6][6] What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

O escopo da norma também não elimina os efeitos específicos do material. Um aço ferrítico pode apresentar um patamar inferior, uma região de transição e um patamar superior à medida que a temperatura varia. São necessárias relações distintas quando a energia Charpy é usada para estimar um valor inferior de tenacidade à fratura nessas regiões; as relações para o comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior não são iguais (TWI, 2024). Essas correlações só se aplicam dentro dos limites de material, geometria e temperatura nelas estabelecidos.[7][7] Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. National Institute of Standards and Technology. NIST publication, 2011.

Uma pesquisa do NIST publicada em 2011 sobre corpos de prova Charpy com ranhuras laterais constatou que as ranhuras laterais reduzem a deformação plástica acumulada em energias do patamar superior e promovem a formação de delaminações. A severidade das delaminações foi maior próxima à temperatura de transição dúctil-frágil. Essa constatação ilustra por que a preparação do corpo de prova pode alterar o comportamento à fratura sem modificar a denominação nominal do ensaio Charpy.

Ensaios Charpy instrumentados segundo a ISO 14556:2023

A ISO 14556:2023 especifica ensaios de impacto pendular Charpy instrumentados com entalhe em V, bem como os equipamentos de medição e registro utilizados nesses ensaios (ISO, 2023). Além da energia total absorvida pelo pêndulo, o sistema instrumentado registra dados relacionados à força durante o impacto, permitindo a análise de etapas como a iniciação da trinca, a propagação instável e a fratura subsequente, sujeita aos requisitos de medição e à interpretação dos dados estabelecidos pela norma.

Isso pode fornecer informações sobre o comportamento à fratura, e não apenas um único valor integrado de energia. Os registros de força-deslocamento ou força-tempo podem ajudar a distinguir a energia de iniciação da energia de propagação e podem revelar diferenças entre o rasgamento dúctil, a clivagem e a fratura mista. Os sinais adicionais não produzem automaticamente um valor de tenacidade à fratura em deformação plana; o tamanho do corpo de prova, o nível de restrição, a agudeza do entalhe, a calibração e as premissas de análise continuam sendo importantes.

A ISO 14556:2023 é especificamente um método Charpy instrumentado com entalhe em V. Seus resultados não devem ser combinados de maneira casual com valores convencionais de entalhe em V da ISO 148-1:2016 ou com valores da ASTM E23, mesmo quando os corpos de prova parecem semelhantes. Diferentes equipamentos, calibrações, definições, filtros, convenções de apresentação dos resultados e critérios de aceitação podem alterar as grandezas reportadas.

O ensaio Charpy também não deve ser confundido com o ensaio de propagação de trinca por rasgamento sob queda de peso. Esse método distinto examina o comportamento de aços para dutos quanto à resistência à propagação de trincas, medindo as frações de cisalhamento dúctil e de clivagem em diferentes temperaturas de impacto. Ele responde a uma questão de engenharia diferente. A energia Charpy, os dados de impacto instrumentado, a aparência da fratura e as medições de resistência à propagação de trincas são evidências relacionadas, não denominações intercambiáveis.

Verificação, calibração e credibilidade de um resultado

Verificação direta e corpos de prova de referência certificados

Um resultado Charpy só é confiável quando o sistema completo de ensaio demonstrou ser capaz de produzir uma resposta conhecida. A verificação da máquina fornece essa demonstração. Ela não é o mesmo que verificar se o pêndulo oscila, se o corpo de prova se encaixa entre os apoios ou se a escala exibe um número plausível.

De acordo com a ASTM E23 e a ISO 148-2, a verificação direta utiliza corpos de prova de referência certificados, com valores estabelecidos de energia de impacto. O laboratório rompe esses corpos de prova na máquina e compara os resultados medidos com a faixa certificada. Como os corpos de prova de referência apresentam comportamento conhecido, eles testam a máquina e sua cadeia de medição em condições reais de impacto, em vez de simplesmente verificar dimensões individuais.

Essa distinção é importante porque o ensaio Charpy é uma medição realizada sob alta taxa de carregamento. A NIST descreve o ensaio como uma medição da energia absorvida durante a fratura e como uma medida indireta da tenacidade ao impacto. O pêndulo deve transferir energia durante um evento de fratura de curta duração, enquanto a máquina registra a diferença entre sua energia inicial e final. Portanto, pequenas perdas mecânicas ou erros geométricos podem afetar o valor informado.

Uma verificação direta pode revelar vários modos de falha simultaneamente. O atrito excessivo do pêndulo reduz a energia disponível antes do impacto. Um percussor danificado, arredondado, orientado incorretamente ou com dimensões incorretas altera a forma como o entalhe é carregado. Apoios desgastados ou espaçamento incorreto entre os apoios alteram as condições de flexão e contato. O desalinhamento dos apoios pode introduzir torção ou restrição desigual. A máquina ainda pode produzir uma fratura limpa e uma leitura plausível no mostrador, mas não atender ao requisito relativo aos corpos de prova de referência.

A capacidade da máquina também tem uma função definida. Um pêndulo grande demais para a faixa de energia pretendida pode oferecer baixa resolução, enquanto uma máquina com capacidade insuficiente não consegue fraturar corretamente o corpo de prova ou pode perder exatidão de medição próximo ao seu limite. A norma aplicável e o projeto da máquina determinam a capacidade permitida, a faixa de energia, a geometria do percussor, os apoios do corpo de prova e o sistema de indicação.

Verificação não é simplesmente sinônimo de calibração. A calibração geralmente trata da exatidão de um elemento de medição em comparação com uma referência rastreável. A verificação questiona se a máquina Charpy montada, incluindo seus componentes mecânicos e sua indicação de energia, produz resultados aceitáveis no ensaio prescrito. Um laboratório pode calibrar um codificador ou inspecionar uma escala e ainda assim ter uma máquina que falha na verificação direta porque o percussor, os mancais, o atrito ou os apoios apresentam defeitos.

Programa de Verificação de Máquinas Charpy da NIST

O Programa de Verificação de Máquinas Charpy da NIST apoia a verificação periódica de máquinas Charpy utilizando corpos de prova certificados, de acordo com a ASTM E23 e a ISO 148-2. O programa existe porque as diferenças entre máquinas podem ser suficientemente grandes para mascarar diferenças entre materiais, especialmente quando as energias medidas estão próximas de um limite de especificação ou quando os resultados são comparados entre laboratórios.

Os corpos de prova certificados não substituem os corpos de prova de produção. Eles são materiais de controle utilizados para estabelecer se a resposta medida pela máquina está dentro de uma faixa aceita. Um resultado aprovado sustenta a confiança no sistema de ensaio no momento da verificação; ele não certifica todos os ensaios futuros nem comprova que cada corpo de prova foi corretamente preparado, orientado, condicionado e ensaiado.

As verificações de rotina continuam sendo necessárias entre as verificações formais. O pessoal deve confirmar as dimensões do percussor e dos apoios, o alinhamento dos apoios, a posição do pêndulo, o nivelamento da máquina, as perdas por atrito, o funcionamento do sistema de indicação ou da instrumentação e as condições das proteções e dos equipamentos de contenção. O corpo de prova deve atender às dimensões exigidas, ao raio do entalhe, à profundidade do entalhe, à orientação do entalhe e às condições superficiais especificadas. A inspeção do entalhe pode identificar rebarbas, rugosidade excessiva, marcas de usinagem ou um raio fora da tolerância. Essas verificações abordam a geometria do corpo de prova e da máquina; a verificação direta aborda a resposta de fratura medida pelo sistema montado.

O controle da temperatura é uma fonte distinta de incerteza. Os aços ferríticos podem passar de uma fratura dúctil, de alta energia, para uma fratura de baixa energia dominada por clivagem à medida que a temperatura diminui. Um corpo de prova ensaiado na temperatura incorreta pode produzir um número perfeitamente repetível que responde à pergunta errada. O laboratório deve controlar o tempo de condicionamento, o tempo de transferência, a temperatura do banho ou da câmara e a temperatura efetivamente atingida pelo corpo de prova. O procedimento do operador é igualmente importante: centralização incorreta, corpo de prova invertido, liberação retardada ou orientação equivocada do entalhe podem invalidar uma máquina que, de outro modo, seria aprovada.

A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada e Izod em viga em balanço, incluindo a verificação da máquina, a apresentação dos resultados e a determinação da aparência da fratura por cisalhamento. A ISO 148-1:2016 especifica o ensaio pendular Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. O ensaio instrumentado é distinto: a ISO 14556:2023 trata do ensaio Charpy instrumentado com entalhe em V e dos equipamentos utilizados para registrar informações adicionais sobre a fratura.

Por que um valor de impacto aparentemente correto ainda pode não ser confiável

Um resultado numérico pode parecer razoável e ainda assim não ter significado representativo para o material. A verificação não elimina a dispersão entre corpos de prova, a variação entre corridas de produção, os efeitos da orientação ou os erros de amostragem. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios Charpy com entalhe em V na direção longitudinal de aços estruturais e distingue as frequências de ensaio por corrida de produção das frequências de ensaio por peça. Portanto, o plano de amostragem faz parte do que o resultado representa. Três corpos de prova adequadamente ensaiados, provenientes de um local não representativo, não caracterizam uma estrutura inteira.

A aparência da fratura fornece evidências que o valor de energia, por si só, não pode fornecer. O cisalhamento dúctil geralmente consome mais energia do que a clivagem, mas a mesma energia absorvida pode resultar de diferentes combinações de cisalhamento, clivagem, separação e deformação plástica. A NIST relatou, em 2011, que os sulcos laterais reduzem o acúmulo de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a separação, cuja intensidade é maior nas proximidades da temperatura de transição dúctil-frágil. A geometria do corpo de prova pode alterar o processo de fratura.

A energia Charpy também não é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana. Correlações podem estimar a tenacidade à fratura do limite inferior para determinados aços ferríticos e determinadas faixas de temperatura, mas relações distintas se aplicam ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Um valor obtido à temperatura ambiente não pode descrever o comportamento em serviço a baixa temperatura quando o aço sofre uma transição dúctil-frágil.[8][8] What is the drop-weight tear test?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

Por fim, o ensaio Charpy não substitui o ensaio de parada de trinca. O ensaio de rasgamento por queda de peso avalia o comportamento de parada de trincas em aços de dutos por meio das frações de cisalhamento dúctil e clivagem em diferentes temperaturas de impacto. Ele responde a uma pergunta diferente. Uma máquina verificada torna um número Charpy mais confiável como medição; ela não transforma esse número em uma descrição completa da resistência à fratura.

Temperatura, Aços Ferríticos e a Transição Dúctil-Frágil

Os aços ferríticos frequentemente apresentam uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Em temperaturas mais elevadas, a deformação plástica pode se desenvolver ao redor do entalhe e absorver uma quantidade substancial de energia de impacto antes que o corpo de prova se separe. Em temperaturas mais baixas, o movimento das discordâncias é mais restrito, a tensão local aumenta rapidamente na raiz do entalhe e a clivagem pode se propagar com deformação plástica limitada. Essa mudança não é representada por uma única temperatura universal nem por um único valor de Charpy.

Um ensaio de Charpy registra a energia absorvida por um corpo de prova entalhado durante a fratura, em uma temperatura e uma taxa de carregamento especificadas. O NIST o descreve como um ensaio de alta taxa de carregamento e uma medida indireta da tenacidade ao impacto, não como um ensaio direto de tenacidade à fratura em deformação plana. O resultado também depende da forma do entalhe, da orientação do corpo de prova, da condição da chapa ou do produto, do procedimento de ensaio e da amostragem. A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy de viga simplesmente apoiada e Izod de viga em balanço, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica ensaios pendulares Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. Essas designações e esses procedimentos são importantes quando os resultados são comparados.

Patamar inferior, região de transição e patamar superior

Patamar inferiorPatamar inferior A região de baixa temperatura da curva Charpy de um aço ferrítico, na qual as energias absorvidas são relativamente baixas e a fratura é comumente dominada por clivagem.

A conhecida curva de temperatura de Charpy costuma ser dividida em três regimes interpretativos. O patamar inferior é a região de baixa temperatura na qual as energias absorvidas permanecem relativamente baixas, e as mudanças com a temperatura podem ser modest as. A fratura é predominantemente semelhante à clivagem, embora ainda possam aparecer pequenas áreas dúcteis ou lábios de cisalhamento. Um baixo valor no patamar inferior indica absorção limitada de energia plástica; por si só, ele não fornece uma descrição completa da propagação de trincas em uma estrutura.

A região de transição situa-se entre os patamares inferior e superior. Nessa região, uma variação modesta de temperatura pode produzir uma grande mudança na energia absorvida e no aspecto da fratura. Alguns corpos de prova podem apresentar uma combinação de clivagem e cisalhamento dúctil, e a dispersão pode ser significativa. Portanto, a temperatura associada a uma energia especificada, como uma exigência contratual, não é automaticamente a temperatura física de transição do material. Outra definição pode utilizar uma energia intermediária, um critério de aspecto da fratura ou uma porcentagem especificada de fratura por cisalhamento.

No patamar superior, o corpo de prova absorve muito mais energia por meio de extensa deformação plástica antes da separação final. O valor medido ainda não é um valor direto de tenacidade à fratura. A energia Charpy no patamar superior é afetada pelas dimensões do corpo de prova, pela acuidade do entalhe, pela taxa de deformação, pela orientação e pelo grau de restrição. Em 2011, o NIST relatou que os sulcos laterais em corpos de prova Charpy reduzem o acúmulo de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a formação de separações, cuja severidade é máxima próxima à temperatura de transição dúctil-frágil. Um resultado obtido com sulcos laterais não deve ser tratado como intercambiável com o de um corpo de prova-padrão não modificado.

Esses regimes não são pontos em uma escala linear de “ruim” a “bom”. Relações distintas são utilizadas quando a energia Charpy é correlacionada com a tenacidade à fratura no limite inferior para os comportamentos do patamar inferior, da região de transição e do patamar superior, conforme observado pelo TWI em 2024. Essas correlações exigem uma classe de aço, uma faixa de temperatura, uma configuração de corpo de prova e hipóteses de restrição aplicáveis. A energia Charpy continua sendo energia de impacto, medida em joules; a tenacidade à fratura é comumente expressa por parâmetros como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou uma medida relacionada da ponta da trinca.

Fratura por clivagem versus cisalhamento dúctil

A clivagem é um processo de fratura rápido e frágil no qual uma trinca avança ao longo de planos cristalográficos preferenciais, com pouca deformação plástica precedente. Sua superfície de fratura frequentemente apresenta aspecto relativamente brilhante e granular. Como apenas uma quantidade limitada de trabalho plástico é realizada, os corpos de prova nos quais predomina a clivagem geralmente absorvem menos energia Charpy. O patamar inferior está, portanto, associado a baixa energia e a uma alta proporção de fratura frágil, embora o aspecto exato dependa do aço, da orientação, do entalhe e da temperatura de ensaio.

A fratura dúctil se desenvolve por meio do escoamento plástico e da nucleação, do crescimento e da coalescência de vazios microscópicos. Em geral, ela consome mais energia e produz uma superfície de aspecto fibroso ou fosco, frequentemente com lábios de cisalhamento próximos às faces externas. A região de transição pode conter ambos os mecanismos em uma mesma superfície de fratura. A apresentação da energia absorvida sem o aspecto da fratura pode ocultar essa mudança.

Por esse motivo, Normas e especificações podem exigir a porcentagem de fratura por cisalhamento, além da energia. Um corpo de prova com energia moderada e fratura mista apresenta uma situação diferente daquela de um corpo de prova com a mesma energia, mas com predominância de cisalhamento dúctil. A ASTM E23 inclui a determinação do aspecto da fratura por cisalhamento e os requisitos de apresentação dos resultados. Os ensaios instrumentados podem acrescentar informações sobre força, deslocamento e energia absorvida durante o evento: a ISO 14556:2023 trata do ensaio instrumentado Charpy com entalhe em V, enquanto a ISO 148-1:2016 não abrange esse método instrumentado.

O ensaio de rasgamento por queda de peso oferece outra distinção útil. Trata-se de um método separado, destinado a aços para tubulações, para avaliar o comportamento de arresto de trincas, determinando as frações de cisalhamento dúctil e de clivagem em diferentes temperaturas de impacto. Seus resultados não devem ser substituídos pela energia Charpy nem apresentados como se fossem a mesma medição.

Por que a temperatura de serviço deve determinar a temperatura de ensaio

A temperatura de ensaio determinante deve representar a condição de serviço relevante mais baixa, considerando as margens exigidas pelo código de projeto e pela especificação aplicáveis. Um resultado de Charpy à temperatura ambiente estabelece o desempenho somente nessa condição ensaiada ou próximo dela. Ele não pode estabelecer a posição do patamar inferior, o comportamento de transição ou o aspecto da fratura em uma temperatura de projeto mais baixa.

Essa limitação é especialmente importante para aços estruturais ferríticos. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios longitudinais Charpy com entalhe em V de aço estrutural e distingue as frequências de ensaio por corrida das frequências de ensaio por peça. A amostragem faz parte do significado do resultado: um único conjunto de corpos de prova conforme não descreve necessariamente todas as localizações, orientações, corridas, espessuras ou condições do produto.

A temperatura de ensaio deve, portanto, ser informada juntamente com a energia absorvida, a orientação do corpo de prova, a designação do entalhe, a Norma e qualquer requisito relativo à fratura por cisalhamento. A condição da máquina também é importante; a ASTM E23 e a ISO 148-2 fornecem estruturas de verificação, e o Charpy Machine Verification Program do NIST utiliza corpos de prova certificados para a verificação periódica das máquinas. Sem esses detalhes, um número de “tenacidade Charpy” informado é incompleto. A temperatura não é uma observação secundária do resultado; para o aço ferrítico, ela pode determinar se a fratura observada é predominantemente dúctil ou dominada pela clivagem.

Amostragem, Orientação e Histórico de Processamento do Aço

ASTM A673/A673M e amostragem de aço estrutural

Um resultado Charpy descreve um corpo de prova definido, retirado de uma peça de aço definida. Para chapas estruturais, a ASTM A673/A673M é importante porque especifica procedimentos de amostragem para ensaios Charpy com entalhe em V na direção longitudinal, em vez de tratar a amostragem como um detalhe administrativo acrescentado após o ensaio. A norma aborda de onde os corpos de prova são retirados e com que frequência as amostras de impacto são exigidas segundo as disposições de ensaio por corrida ou por peça. Essas escolhas fazem parte do significado do resultado.

O local de amostragem pode ser relevante porque uma chapa não é perfeitamente uniforme ao longo de seu comprimento, largura ou espessura. A segregação química pode ser mais intensa nas proximidades de determinadas regiões de um lingote ou de um produto de lingotamento contínuo, enquanto a redução por laminação, a taxa de resfriamento e as diferenças de temperatura entre a superfície e o centro podem produzir microestruturas distintas ao longo da espessura. Portanto, um corpo de prova retirado de um local permitido demonstra o comportamento daquele material amostrado segundo o plano especificado. Isso não estabelece automaticamente o comportamento de todos os locais da chapa, de todas as chapas de um lote de produção ou de todos os componentes fabricados com esse material.

A ASTM A673/A673M também deve ser interpretada em conjunto com a especificação aplicável do material e com os requisitos de aquisição ou fabricação. A edição da norma e as regras referentes ao produto determinam as disposições exatas de amostragem. Um relatório que declare apenas “ensaiado por Charpy” omite informações essenciais: a norma aplicável, a orientação do corpo de prova, a temperatura de ensaio, o local de amostragem, a frequência exigida, o resultado de energia absorvida e qualquer requisito relativo à aparência da fratura. A ASTM E23 fornece a estrutura geral para ensaios Charpy de viga simplesmente apoiada, incluindo requisitos dos corpos de prova, procedimentos, verificação da máquina, elaboração de relatórios e determinação da aparência da fratura por cisalhamento. O Programa de Verificação de Máquinas Charpy do NIST descreve o ensaio como uma medição, sob alta taxa de carregamento, da energia absorvida durante a fratura; ele não transforma essa energia em um valor direto de tenacidade à fratura em deformação plana.

Ensaios longitudinais versus transversais

“Charpy longitudinal” identifica a orientação do corpo de prova em relação à principal direção de laminação do produto. Em um corpo de prova longitudinal, o comprimento do corpo de prova é geralmente alinhado com a direção de laminação, enquanto a orientação do entalhe determina em que direção a trinca avança pelo material. Um corpo de prova transversal é retirado com seu comprimento transversal à direção de laminação. Trata-se de direções materiais diferentes, e não de designações intercambiáveis.

A laminação alonga os grãos e as inclusões e pode produzir uma microestrutura bandeada. Consequentemente, uma trinca que avance através de características alongadas pode encontrar uma sequência diferente de ferrita, perlita, bandas de segregação ou inclusões daquela encontrada por uma trinca que avance ao longo dessas características. A energia medida pode variar com a orientação, especialmente em aços de chapa com textura pronunciada, bandeamento acentuado ou fragilidade na direção da espessura. O efeito não é determinado apenas pelo nome do grau do aço. A espessura da chapa, a razão de redução, a prática de reaquecimento, a laminação controlada, a normalização, a têmpera e o revenimento e o histórico de resfriamento contribuem para esse comportamento.

O entalhe e a direção de propagação da trinca exigem a mesma atenção. Uma designação longitudinal na ASTM A673/A673M não substitui universalmente um requisito de tenacidade transversal, na direção da espessura ou relacionado à solda. Se uma estrutura for submetida a carregamento em uma direção da chapa não representada pelo corpo de prova, o valor relatado poderá constituir uma base incompleta para a avaliação. O engenheiro deve compatibilizar a orientação do corpo de prova com a trajetória prevista da trinca e com o requisito da norma de projeto ou de material aplicável.

A temperatura acrescenta outra limitação. Os aços ferríticos geralmente sofrem uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Assim, um valor longitudinal obtido à temperatura ambiente pode ocultar um resultado muito mais baixo à temperatura de serviço ou uma resposta diferente de um corpo de prova transversal ensaiado na mesma temperatura. A energia absorvida e a aparência da fratura devem ser analisadas em conjunto: a fratura dúctil por cisalhamento geralmente absorve mais energia, enquanto a fratura predominantemente por clivagem normalmente absorve menos. A ASTM E23 inclui a determinação da aparência da fratura por cisalhamento, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica ensaios pendulares Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. As medições instrumentadas são distintas; a ISO 14556:2023 abrange ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V e os equipamentos utilizados para registrar informações adicionais sobre força e deslocamento.

Ensaios por corrida, ensaios por peça e variabilidade do material

Ensaios por corrida e ensaios por peça são estratégias de amostragem, e não dois nomes para o mesmo ensaio. O ensaio por corrida relaciona a frequência de amostragem à corrida de aço — o material produzido a partir de uma única fusão química controlada. O ensaio por peça atribui a amostragem a peças ou unidades individuais do produto, de acordo com o requisito aplicável. A ASTM A673/A673M distingue essas abordagens e suas frequências; portanto, uma especificação que invoque uma delas não pode ser interpretada como se exigisse a outra. A frequência exata deve ser obtida na edição aplicável e na disposição referente ao produto; ela não deve ser inferida de uma prática Charpy genérica.

Essa distinção é importante quando uma corrida é transformada em muitas chapas, quando as chapas diferem substancialmente em espessura ou quando as condições de processamento mudam durante a produção. Uma amostra em nível de corrida pode fornecer evidências sobre o material representado pelo plano de amostragem especificado, mas não pode revelar todas as linhas locais de inclusões, bandas de segregação, laminações internas ou variações de processamento. O ensaio por peça aumenta a relação direta entre um resultado e uma determinada peça do produto, mas ainda examina a região amostrada, e não toda a estrutura acabada.

O processamento posterior à produção da chapa pode criar uma separação adicional entre o resultado do metal de base e o comportamento em serviço. A soldagem introduz ciclos térmicos que alteram o tamanho dos grãos, os produtos de transformação, a dureza, as tensões residuais e a tenacidade local na zona termicamente afetada. O tratamento térmico pós-soldagem pode alterar novamente essas características. Um corpo de prova do metal de base retirado segundo a ASTM A673/A673M não qualifica o metal de solda nem a zona termicamente afetada, a menos que essas regiões sejam amostradas e ensaiadas separadamente segundo o procedimento aplicável.

O NIST relatou, em 2011, que os entalhes laterais nos corpos de prova Charpy reduzem o acúmulo de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a formação de splitting, cuja intensidade é máxima nas proximidades da temperatura de transição dúctil-frágil. Isso ilustra por que a geometria do corpo de prova e a aparência da fratura podem alterar a interpretação de um valor de energia. A energia Charpy pode apoiar estimativas especificadas de limite inferior da tenacidade à fratura para aços ferríticos, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Ela continua sendo um resultado de energia de impacto obtido na orientação e condição do material amostrado — não uma descrição completa de todas as trajetórias de trinca, regiões de solda ou componentes.

Aparência da Fratura, Área de Cisalhamento, Separação e Ranhuras Laterais

O corpo de prova Charpy fraturado contém informações que o valor da energia absorvida, por si só, não pode mostrar. A energia é o trabalho realizado pelo pêndulo ao fraturar o corpo de prova; a aparência da fratura registra como esse trabalho foi empregado. Um valor alto pode refletir uma deformação plástica extensa, enquanto um valor mais baixo pode indicar clivagem rápida, mas a mesma energia nominal pode resultar de diferentes combinações de plasticidade, extensão da trinca e restrição.

Essa distinção é especialmente importante para aços ferríticos, que normalmente passam de um comportamento dúctil em temperaturas mais altas para um comportamento dominado por clivagem à medida que a temperatura diminui. Portanto, um resultado à temperatura ambiente pode ocultar uma transição na qual o modo de fratura se altera acentuadamente em um intervalo de temperatura relativamente pequeno. A ASTM E23 inclui a determinação da aparência da fratura por cisalhamento em ensaios Charpy e Izod, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. Nenhuma das duas normas transforma a aparência da fratura em substituta da energia, da tenacidade ou da qualificação para serviço.

Interpretação das características dúcteis e de clivagem

Uma região de cisalhamento dúctil geralmente apresenta aparência fibrosa, opaca ou rasgada. A trinca avança por meio de uma deformação plástica substancial, frequentemente por nucleação, crescimento e coalescência de microvazios. Em uma superfície de fratura, esse mecanismo pode produzir uma textura mais rugosa e lábios de cisalhamento inclinados próximos às superfícies livres. O ensaio correspondente geralmente registra uma energia absorvida maior, pois o corpo de prova se deforma significativamente antes da separação completa.

A fratura por clivagem é tipicamente mais brilhante e apresenta aspecto mais cristalino, com facetas relativamente planas e padrões em rio que indicam a propagação rápida da trinca através de planos cristalográficos preferenciais. Ela envolve muito menos deformação plástica macroscópica que o rasgamento dúctil. Uma superfície dominada por clivagem geralmente acompanha um resultado de baixa energia de impacto, mas a aparência visual deve ser interpretada considerando a orientação do corpo de prova, o grau do aço, a temperatura, a condição do entalhe e o método de exame. Uma superfície fraturada não constitui um diagnóstico metalográfico completo.

A transição frequentemente é mista, e não abrupta. Um corpo de prova pode conter rasgamento dúctil nas superfícies externas e uma região de clivagem mais próxima do entalhe, ou áreas distintas de fratura dúctil e por clivagem separadas por uma fronteira visível. O relato da fração de fratura por cisalhamento, geralmente como porcentagem da superfície de fratura, pode mostrar que um material está atravessando a transição dúctil-frágil mesmo quando os valores de energia se sobrepõem. Por exemplo, dois corpos de prova podem absorver energias semelhantes enquanto um apresenta fratura predominantemente fibrosa e o outro contém uma área substancial de clivagem; esses resultados não transmitem o mesmo alerta sobre a propagação de trincas em baixa temperatura.

A aparência da fratura também ajuda a evidenciar a dispersão dos resultados. A energia Charpy é afetada pela agudeza do entalhe, por inclusões locais, pela estrutura dos grãos, pela orientação do corpo de prova e pela temperatura do ensaio. Uma única média pode ocultar um corpo de prova com uma região de clivagem excepcionalmente grande. O exame das faces fraturadas acrescenta uma verificação física sobre a compatibilidade entre a energia medida e o modo de falha esperado.

Essa evidência não deve ser incorretamente identificada como tenacidade à fratura em deformação plana. O NIST descreve o ensaio Charpy como um ensaio com alta taxa de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto. Correlações podem estimar a tenacidade à fratura no limite inferior para aços ferríticos, mas relações distintas se aplicam aos comportamentos no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Um valor Charpy não é uma medida direta de $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou da resistência à parada de trincas.

Aparência da fratura por cisalhamento como resultado relatado

A aparência da fratura por cisalhamento é um resultado relatado juntamente com a energia absorvida, a temperatura do ensaio, a orientação do corpo de prova e os dados de identificação. Em trabalhos baseados em normas, o método utilizado para determinar a fração de cisalhamento é importante; estimativas visuais, procedimentos de comparação e convenções de medição não devem ser combinados sem declarar a base utilizada. O relatório deve identificar se o corpo de prova apresentava uma configuração padrão com entalhe em V ou em U e se havia alguma modificação, como ranhuras laterais.

Um aumento da fração de cisalhamento com o aumento da temperatura geralmente corrobora uma transição da clivagem para a fratura dúctil. Por si só, porém, isso não estabelece uma temperatura de transição universal. Os engenheiros podem definir uma temperatura de transição com base em um critério de energia, em um critério de área de cisalhamento ou em uma combinação especificada, e essas temperaturas não precisam ser idênticas. Portanto, o critério escolhido deve ser declarado.

Os ensaios instrumentados podem fornecer informações adicionais sobre o carregamento e os eventos de fratura. A ISO 14556:2023 abrange o ensaio Charpy instrumentado com entalhe em V e os equipamentos utilizados para medir e registrar o comportamento ao impacto; os ensaios instrumentados estão fora do escopo da ISO 148-1:2016. Esses métodos podem ajudar a distinguir características de iniciação e propagação, mas ainda exigem controle da geometria, da condição do material, da temperatura e da orientação.

A amostragem também afeta a interpretação. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios longitudinais Charpy com entalhe em V de aços estruturais e distingue as frequências de ensaio por corrida das frequências de ensaio por peça. Assim, uma fotografia da fratura e um valor de energia descrevem um corpo de prova específico submetido ao ensaio; eles não representam automaticamente todas as chapas, peças ou corridas.

Constatações do NIST sobre corpos de prova Charpy com ranhuras laterais

A avaliação do NIST de 2011 sobre ensaios de impacto Charpy com ranhuras laterais constatou que as ranhuras laterais alteram mais que o contorno do corpo de prova. Nas energias do patamar superior, elas reduzem o acúmulo de deformação plástica e promovem a separação longitudinal. A severidade da separação relatada foi maior nas proximidades da temperatura de transição dúctil-frágil.

A separação longitudinal é uma característica de separação ou rasgamento que pode se desenvolver à frente do caminho principal da fratura ou paralelamente a ele. As ranhuras laterais orientam a deformação e alteram a restrição ao longo da largura do corpo de prova, modificando o crescimento da trinca e a morfologia resultante da fratura. Elas podem fazer com que a superfície de fratura pareça mais segmentada e podem afetar tanto a energia medida quanto a divisão entre as regiões dúcteis e de clivagem.

Por esse motivo, corpos de prova Charpy com ranhuras laterais e corpos de prova convencionais não devem ser comparados de maneira casual. A geometria alterada modifica a restrição, a plasticidade, a extensão da trinca e a possibilidade de ocorrência de separação longitudinal. Um resultado obtido com ranhuras laterais pode ser útil para uma finalidade definida de pesquisa ou qualificação, mas não é simplesmente uma versão mais aguda de um resultado padrão. A geometria, a forma do entalhe, as dimensões das ranhuras, a orientação, a temperatura e o método de relato devem ser compatíveis com a comparação pretendida.

As constatações do NIST também reforçam a limitação central da energia de impacto: o número, isoladamente, não identifica o mecanismo de fratura. A energia, a área de cisalhamento, as características de clivagem e a separação longitudinal devem ser analisadas em conjunto, mantendo visíveis a norma aplicável e o projeto do corpo de prova.

Ensaio Charpy Instrumentado e o que Sinais Adicionais Podem Revelar

O ensaio Charpy instrumentado acrescenta canais de medição ao ensaio comum de impacto com pêndulo. Em vez de registrar apenas a energia inicial e final do martelo, a máquina registra a força aplicada ao corpo de prova e sua variação durante o evento. Esse registro adicional pode mostrar quando o corpo de prova começa a perder capacidade de suportar carga, quanto trabalho ocorre antes do crescimento da trinca e como a fratura se desenvolve após a iniciação. Ele não transforma um corpo de prova Charpy em um corpo de prova convencional de tenacidade à fratura.

A ISO 148-1:2016 especifica ensaios de impacto com pêndulo e entalhe em V ou em U Charpy para materiais metálicos, mas o ensaio instrumentado está excluído desse método. A norma separada, ISO 14556:2023, especifica o ensaio de impacto com pêndulo e entalhe em V Charpy instrumentado, bem como os equipamentos de medição e registro utilizados para obter informações adicionais sobre o comportamento da fratura sob condições de impacto. A ASTM E23 abrange ensaios de impacto Charpy de viga simplesmente apoiada e Izod de viga em balanço, incluindo requisitos para os corpos de prova, procedimentos, verificação da máquina, relatórios e determinação da aparência da fratura por cisalhamento; um resultado instrumentado ainda depende da norma de ensaio aplicável e dos requisitos de apresentação de resultados.

Informações de força-tempo e energia-tempo

Um resultado convencional de Charpy geralmente é apresentado como energia de impacto absorvida, normalmente em joules. O NIST descreve o ensaio Charpy como um ensaio a alta taxa de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto. A instrumentação acrescenta um registro de força-tempo e, frequentemente, um registro de força-deslocamento ou força-energia, a partir do qual o trabalho total pode ser calculado. Em termos simplificados, a área sob uma curva força-deslocamento corresponde ao trabalho mecânico fornecido ao corpo de prova, enquanto uma curva energia-tempo mostra a rapidez com que esse trabalho se acumula.

A forma da curva é importante. Uma elevação inicial acentuada pode refletir o carregamento elástico e plástico do ligamento remanescente do entalhe. Uma força máxima pode marcar o ponto em que o corpo de prova atinge sua maior carga, embora a força máxima não seja automaticamente idêntica ao início físico da trinca. Um trecho descendente pode indicar crescimento da trinca, colapso plástico, alterações no contato com o percutor ou uma combinação desses efeitos. Portanto, o sinal deve ser interpretado considerando a geometria do corpo de prova, a configuração do percutor, o vão, a velocidade de impacto e a temperatura de ensaio.

Um registro significativo começa pela qualidade da medição. Os transdutores de força, a medição de deslocamento ou velocidade, a temporização, a largura de banda do amplificador, a taxa de aquisição de dados e a calibração afetam a curva registrada. A vibração mecânica pode produzir oscilações que se assemelham a eventos de fratura. A filtragem pode remover ruído, mas a filtragem excessiva também pode deslocar um pico ou ocultar um breve evento de iniciação. A complacência da máquina e a massa do percutor influenciam a relação entre o sinal registrado e a força efetivamente suportada pelo corpo de prova.

A energia instrumentada integrada também deve ser verificada em relação ao resultado convencional de energia absorvida da máquina. A concordância não é garantida: o atrito, as perdas do pêndulo, os efeitos dos dispositivos de fixação, os erros de calibração e o método escolhido para reconstruir a curva força-deslocamento podem produzir diferenças. A verificação periódica da máquina continua sendo relevante. A ISO 148-2 e a ASTM E23 fornecem métodos de verificação, incluindo corpos de prova certificados no Charpy Machine Verification Program descrito pelo NIST.

Comportamento de iniciação e propagação sob impacto

Uma aplicação importante do registro de força é separar o evento em etapas. Antes que uma trinca avance, o ligamento remanescente do entalhe pode sofrer deformação elástica e plástica. Se uma trinca então se inicia, a curva força-tempo pode mostrar uma alteração na inclinação, um máximo local, uma queda repentina ou outra característica selecionada pelo procedimento analítico. O trabalho até o ponto de iniciação selecionado pode ser denominado energia de iniciação, enquanto o trabalho restante está associado à propagação subsequente da trinca e à deformação do corpo de prova.

Esses termos descrevem uma análise, não uma verdade física automática. A iniciação da trinca pode ocorrer antes de uma queda evidente da força, especialmente quando se desenvolve gradualmente um rasgamento dúctil estável. Por outro lado, uma alteração acentuada do sinal pode resultar de um efeito da máquina ou do contato, e não de uma trinca recém-formada. Imagens de alta velocidade, exame da fratura após o ensaio, análise de complacência ou sensores suplementares podem ser necessários para confirmar o que uma determinada característica representa.

A distinção pode ser especialmente informativa na transição dúctil-frágil dos aços ferríticos. Em temperaturas mais baixas, a clivagem pode produzir uma perda rápida de carga e deformação relativamente pequena. Em temperaturas mais altas, o rasgamento dúctil e a deformação plástica podem consumir mais energia ao longo de uma parte maior do registro. A aparência da fratura fornece uma verificação essencial: regiões de cisalhamento e fibrosas geralmente sustentam uma interpretação diferente da de regiões dominadas por clivagem, mesmo quando dois corpos de prova apresentam energias totais semelhantes.

A orientação do corpo de prova e a condição do material continuam fazendo parte do resultado. A ASTM A673/A673M especifica procedimentos de amostragem para ensaios longitudinais Charpy com entalhe em V de aços estruturais e distingue as frequências de ensaios por corrida e por peça. Uma curva de força detalhada de um único local de amostragem não pode estabelecer o comportamento em todas as orientações, espessuras de chapa, regiões de solda ou condições de tratamento térmico.

A avaliação do NIST de 2011 sobre corpos de prova Charpy com entalhes laterais constatou que esses entalhes reduzem o acúmulo de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem o fendilhamento, cuja intensidade é maior próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Essas alterações geométricas podem modificar o histórico de força e a aparência da fratura. Elas não devem ser tratadas como uma modificação menor ao comparar conjuntos de dados.

Limitações da conversão de dados instrumentados em tenacidade à fratura

Os dados de Charpy instrumentado podem apoiar cálculos de mecânica da fratura, mas a conversão exige um procedimento analítico especificado, calibração validada e hipóteses sobre a geometria da trinca, a deformação, a taxa de carregamento e o comportamento do material. Um registro de força-tempo, por si só, não fornece um fator crítico de intensidade de tensão válido, $K_{\mathrm{Ic}}$, nem um valor válido de $J_{\mathrm{Ic}}$ em deformação plana.

Um ensaio padronizado de tenacidade à fratura utiliza um corpo de prova pré-trincado por fadiga, dimensões controladas, medição do tamanho da trinca, requisitos de validade e critérios para tenacidade em deformação plana ou em regime elasto-plástico. Um entalhe em V usinado em um corpo de prova Charpy possui raio de entalhe, geometria do ligamento, disposição de carregamento e, frequentemente, nível de restrição diferentes. O carregamento dinâmico altera ainda mais a resposta do material. Mesmo que uma curva instrumentada permita estimar a energia de iniciação ou uma força associada ao crescimento da trinca, essa estimativa não é automaticamente intercambiável com a tenacidade à fratura.

A energia Charpy pode ser relacionada à tenacidade à fratura de limite inferior de aços ferríticos por meio de correlações especificadas, mas relações distintas se aplicam ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. A temperatura, a geometria do entalhe, a orientação do corpo de prova, a aparência da fratura e a condição do material devem acompanhar o valor numérico. O comportamento de parada de trincas é outra questão: o ensaio de rasgamento por queda de peso caracteriza a parada de trincas em aços de dutos por meio das frações de cisalhamento dúctil e de clivagem ao longo de temperaturas de impacto, em vez de substituir seus resultados por dados de Charpy ou de tenacidade à fratura.

Portanto, o ensaio instrumentado acrescenta evidências, não um fator universal de conversão. Sua interpretação mais robusta ocorre quando o equipamento é verificado, os sinais são limpos e calibrados, o corpo de prova e a temperatura são documentados e o critério de iniciação ou propagação é declarado explicitamente.

Da Energia Charpy à Tenacidade à Fratura e à Parada de Trincas

A energia Charpy não é um valor de tenacidade à fratura. Ela é a energia absorvida quando um corpo de prova entalhado padronizado se rompe sob o impacto de um pêndulo com alta taxa de carregamento. O NIST descreve o resultado como uma medida indireta da tenacidade ao impacto, e não como uma medição direta de um parâmetro da ponta da trinca, como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou o deslocamento de abertura da ponta da trinca. Essa distinção é importante porque uma pequena barra Charpy e um grande componente estrutural trincado estão sujeitos a diferentes níveis de restrição, tamanhos de trinca, estados de tensão e dimensões de zona plástica.

A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy de viga simplesmente apoiada e Izod de viga em balanço, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica os ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. O ensaio de impacto instrumentado é distinto: a ISO 14556:2023 trata dos ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V e registra força, deslocamento e energia durante a fratura. A verificação da máquina também afeta a confiabilidade do resultado. A ASTM E23 e a ISO 148-2 exigem verificação periódica, incluindo ensaios com corpos de prova de referência certificados, e o NIST opera um Programa de Verificação de Máquinas Charpy.

O valor reportado em joules, portanto, descreve um determinado corpo de prova, entalhe, orientação, temperatura, taxa de ensaio e condição do material. A ASTM A673/A673M acrescenta outra qualificação para o aço estrutural: especifica procedimentos de amostragem para ensaios Charpy com entalhe em V na direção longitudinal e distingue as frequências de ensaio por corrida de fabricação e por peça. A amostragem faz parte do significado do resultado. Um valor obtido de um único corpo de prova selecionado não pode representar automaticamente todas as chapas, regiões adjacentes a soldas, direções de laminação ou temperaturas de serviço.

Correlações condicionais para aços ferríticos

Para aços ferríticos, a energia Charpy pode subsidiar uma estimativa do limite inferior da tenacidade à fratura quando a correlação tiver sido estabelecida para a classe de aço e o regime de fratura relevantes. Isso é útil porque os aços ferríticos normalmente apresentam uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Sua curva de energia de impacto pode conter um patamar inferior, uma região de transição e um patamar superior, e a relação entre a energia absorvida e a resistência à fratura se altera ao longo dessas regiões.

Aplicam-se relações distintas aos comportamentos no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Uma correlação selecionada para o patamar superior não deve ser aplicada a um resultado do patamar inferior apenas porque ambos os valores são reportados em joules. Na região de transição, pequenas variações de temperatura podem produzir grandes alterações no modo de fratura e na energia medida; portanto, a temperatura na qual o valor Charpy foi obtido é essencial. A aparência da fratura fornece uma segunda evidência: a fratura predominantemente por clivagem geralmente absorve menos energia, enquanto o rasgamento dúctil normalmente produz maior deformação plástica e maior energia absorvida.

Mesmo entre os aços ferríticos, a composição química, o tamanho de grão, o nível de resistência, o tratamento térmico, a espessura da chapa, a direção de laminação, a agudeza do entalhe e a irradiação ou o envelhecimento térmico podem alterar essa relação. Assim, uma correlação é um modelo condicional, e não uma conversão universal de joules em tenacidade à fratura. Ela pode fornecer uma estimativa conservadora para triagem, aplicável a uma população de materiais definida, a uma faixa de temperatura, a uma orientação do corpo de prova e a uma condição de validade especificadas. Ela não transforma um resultado Charpy de rotina em uma medição de tenacidade à fratura em deformação plana.

O próprio corpo de prova também pode afetar a interpretação. Em um estudo do NIST publicado em 2011, corpos de prova Charpy com ranhuras laterais apresentaram menor acúmulo de deformação plástica nas energias do patamar superior e maior ocorrência de delaminação; a severidade da delaminação foi máxima próxima à temperatura de transição dúctil-frágil. Essa constatação reforça o ponto: até mesmo uma geometria Charpy modificada pode alterar o processo de fratura e não pode ser considerada intercambiável com um corpo de prova comum com entalhe em V.

Estimativas do limite inferior e suas limitações

Uma estimativa do limite inferior destina-se a evitar a alegação de uma resistência à fratura superior àquela sustentada pelas evidências. Ela pode ser apropriada para uma triagem preliminar, avaliações de integridade realizadas segundo procedimentos definidos ou situações nas quais um código ou uma prática regulatória permita especificamente uma relação baseada em Charpy. A estimativa deve manter suas condições de aplicação: família do material, faixa de limite de escoamento, orientação, temperatura, configuração do entalhe, faixa de energia e parâmetro de tenacidade à fratura estimado.

O limite inferior não é uma garantia de que um componente resistirá a qualquer trinca. Os corpos de prova Charpy são pequenos, e sua fratura pode ocorrer com menor restrição do que em um componente espesso contendo uma trinca de fadiga aguda. Uma trinca estrutural pode, portanto, estar sujeita a um campo de tensões diferente daquele produzido pelo entalhe usinado do corpo de prova Charpy. A espessura, as tensões residuais, os defeitos de soldagem, a taxa de carregamento, o tamanho da trinca e a biaxialidade podem reduzir a relevância de uma simples correlação de energia. Um valor medido à temperatura ambiente também diz pouco sobre o comportamento a uma temperatura de serviço mais baixa, a menos que a curva de transição tenha sido estabelecida.

A aparência da fratura e os dados de temperatura de transição devem acompanhar o valor de energia sempre que o risco de fratura frágil for relevante. Um único resultado no patamar superior pode ocultar uma transição acentuada em temperaturas mais baixas; um resultado no patamar inferior pode identificar uma condição na qual a clivagem já controla o comportamento. O ensaio direto de tenacidade à fratura continua sendo necessário quando a avaliação depende de um valor qualificado de $K$, $J$ ou deslocamento de abertura da ponta da trinca, sob requisitos especificados de restrição e validade.

Como o ensaio de rasgamento por queda de peso difere

O ensaio de rasgamento por queda de peso responde a uma pergunta diferente daquela respondida pelo ensaio Charpy. Ele foi desenvolvido para avaliar o comportamento de parada de trincas em aços de dutos, e não simplesmente para classificar pequenos corpos de prova pela energia de impacto absorvida. Uma tira relativamente longa e entalhada é submetida a impacto sob condições controladas, e a superfície de fratura resultante é examinada em uma faixa de temperaturas. A avaliação concentra-se nas proporções de fratura por cisalhamento dúctil e por clivagem, incluindo a verificação de se uma fratura em propagação permanece parada à medida que o modo de fratura se altera.

O ensaio Charpy pergunta quanta energia uma barra entalhada padronizada absorve antes da fratura e pode reportar a energia absorvida, a expansão lateral e a aparência da fratura por cisalhamento. O ensaio de rasgamento por queda de peso pergunta como uma fratura em propagação se comporta em um aço de duto e como a superfície de fratura se modifica entre o rasgamento dúctil e a clivagem. Os dois ensaios podem revelar uma transição dúctil-frágil, mas suas geometrias, dimensões dos corpos de prova, respostas ao carregamento e resultados de engenharia são diferentes.

Use o ensaio Charpy para estabelecer a energia de impacto e o comportamento de transição do material e da orientação especificados. Use uma correlação Charpy permitida somente para uma estimativa declarada do limite inferior da tenacidade à fratura. Use o ensaio de rasgamento por queda de peso quando a questão de engenharia envolver fraturas de longa propagação e a parada de trincas em aços de dutos. Nenhum dos resultados pode responder, por si só, à outra questão.

Referências

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3. [3]National Institute of Standards and Technology. Charpy Machine Verification Program. NIST program resource, 2024. https://www.nist.gov/programs-projects/charpy-machine-verification-program
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 14556:2023 Metallic materials — Charpy V-notch pendulum impact test — Instrumented test method. ISO standard, 2023. https://www.iso.org/cms/render/live/en/sites/isoorg/contents/data/standard/08/21/82164.html
5. [5]ASTM International. ASTM E23: Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/standards/e23
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7. [7]National Institute of Standards and Technology. Side-Grooved Charpy Impact Testing: Assessment of Splitting and Fracture Properties of High-Strength Steels. NIST publication, 2011. https://www.nist.gov/publications/side-grooved-charpy-impact-testing-assessment-splitting-and-fracture-properties-high
8. [8]TWI. What is the drop-weight tear test?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-drop-weight-tear-test