Tenacidade ao Impacto do Aço e Ensaio de 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 lhe é aplicada rapidamente uma carga, frequentemente através de um entalhe que concentra a tensão. Não é a mesma propriedade que a resistência mecânica, a ductilidade à tração ou a tenacidade à fratura, embora todas possam afetar o resultado.

A resistência à cedência descreve a tensão à qual se inicia a deformação plástica durante um ensaio de tração. A resistência à tração é a tensão nominal máxima atingida nesse ensaio. Nenhum destes valores indica como se comportará, durante um evento de carregamento rápido, um aço que contenha uma fissura afiada. Um aço de elevada resistência pode apresentar baixa resistência à fratura por clivagem, particularmente a baixa temperatura, enquanto um aço de menor resistência pode absorver uma energia de impacto considerável.

A ductilidade descreve a deformação plástica anterior à fratura, normalmente através do alongamento ou da redução de área num provete de tração. A tenacidade ao impacto inclui um efeito da velocidade de carregamento e um efeito do entalhe que a ductilidade à tração convencional não reproduz. Um provete Charpy entalhado tem pouca possibilidade de redistribuir a tensão através de uma deformação uniforme. O entalhe faz, portanto, com que a restrição local e a iniciação da fissura assumam um papel central no 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 Propriedade de resistência à propagação de fissuras medida sob condições definidas de geometria do provete, carregamento, espessura, fissura e validade.

A tenacidade à fratura é uma classe de propriedade diferente. Valores como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou o deslocamento de abertura na ponta da fissura (CTOD) descrevem a resistência de uma fissura preexistente à propagação, sob condições definidas relativas ao provete, à espessura, ao carregamento e à validade do ensaio. $K_{\mathrm{IC}}$, por exemplo, é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana, obtido em condições destinadas a limitar os efeitos da dimensão do provete e da plasticidade. Um entalhe Charpy em V é suficientemente afiado para promover a iniciação da fratura, mas não é um provete de tenacidade à fratura com pré-fissura de fadiga, e a sua energia absorvida não é um valor de $K_{\mathrm{IC}}$.

O comportamento de travagem da fissura também deve ser considerado separadamente. Um material pode resistir à iniciação de uma fissura e, no entanto, oferecer uma resistência diferente à propagação de uma fissura em movimento. No caso dos aços para condutas, o ensaio de rasgamento por queda de peso examina o comportamento de travagem da fissura através da medição das frações de corte dúctil e de clivagem nas superfícies de fratura, numa gama de temperaturas de impacto. Esse método não é permutável com o ensaio Charpy.

Por que razão a energia absorvida é um indicador indireto do material

Num ensaio Charpy convencional, um pêndulo embate num provete entalhado, simplesmente apoiado. A diferença entre a energia inicial e final do pêndulo indica o trabalho absorvido pelo provete e, na prática, por algumas perdas associadas contabilizadas 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 a uma velocidade de carregamento elevada 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 acontecimentos: deformação plástica junto ao entalhe, iniciação da fissura, propagação estável ou instável da fissura, efeitos de atrito e da máquina, e o processo final de fratura. Não é uma constante única do material que possa ser transferida sem alteração para todas as geometrias de componentes ou velocidades de carregamento. A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy de viga simplesmente apoiada e Izod de viga em consola, incluindo os requisitos aplicáveis aos provetes, os procedimentos, a verificação da máquina, a apresentação dos resultados e a determinação do aspeto da fratura por cisalhamento. A ISO 148-1:2016 especifica os ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. O tipo de entalhe é importante; os resultados obtidos com entalhes em V e em U não devem ser tratados como equivalentes sem uma base especificada.

O aspeto da fratura fornece evidência que o valor da energia, por si só, não pode fornecer. Em geral, o rasgamento dúctil exige uma deformação plástica substancial e absorve mais energia. A fratura dominada pela clivagem absorve normalmente menos energia. A percentagem de fratura por cisalhamento, a expansão lateral e a posição de um resultado numa curva de transição dúctil-frágil podem, por conseguinte, alterar a interpretação de engenharia da mesma energia nominal.

Os ensaios instrumentados podem acrescentar informação sobre a resposta força-tempo ou força-deslocamento. A ISO 14556:2023 especifica o ensaio Charpy instrumentado com entalhe em V e o equipamento utilizado para medir e registar informações adicionais sobre o comportamento da fratura; a ISO 148-1:2016 não abrange esse método instrumentado. O estado da máquina também é importante. A ASTM E23 e a ISO 148-2 estabelecem requisitos de verificação, e o Charpy Machine Verification Program do NIST utiliza provetes certificados para verificações periódicas das máquinas.

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

Uma afirmação como “este aço tem uma tenacidade Charpy de 80 J” é incompleta. A temperatura pode não ser indicada. O mesmo pode acontecer com a geometria do entalhe, a orientação do provete, a espessura da chapa, a condição de tratamento térmico, o local de amostragem, a direção do ensaio, o número de provetes, a norma aplicável e o aspeto da fratura. Cada omissão pode alterar o significado do resultado.

Os aços ferríticos apresentam normalmente uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Por conseguinte, um resultado à temperatura ambiente pode oferecer poucas garantias sobre o comportamento a uma temperatura de serviço mais baixa. Mesmo dentro da região de transição, pequenas alterações de temperatura podem provocar mudanças significativas 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 diferentes mecanismos de fratura, pelo que são necessárias correlações separadas quando os dados Charpy são utilizados para estimar um valor inferior de tenacidade à fratura. Essas correlações podem apoiar uma avaliação preliminar de engenharia para condições definidas de aços ferríticos; não transformam a energia absorvida em tenacidade à fratura em deformação plana.

Um resultado Charpy não pode ser interpretado independentemente do seu plano de amostragem e da orientação do provete. 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 provete é outra variável decisiva. Um provete Charpy longitudinal caracteriza o aço de forma diferente de um provete transversal ou orientado na direção da espessura, porque a direção de laminagem, as inclusões, a bandagem e a estrutura dos grãos afetam a propagação da fissura. A ASTM A673/A673M especifica os procedimentos de amostragem para ensaios Charpy longitudinais com entalhe em V de aços estruturais e distingue as frequências dos ensaios por corrida das dos ensaios por peça. A amostragem faz, portanto, parte do resultado, não sendo um pormenor administrativo acrescentado depois do ensaio.

A avaliação realizada pelo NIST em 2011 de provetes Charpy com ranhuras laterais concluiu que as ranhuras laterais reduzem a deformação plástica acumulada para energias do patamar superior e promovem a formação de separações, sendo a intensidade destas máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Esta conclusão ilustra por que razão a geometria do provete pode alterar tanto a energia medida como a superfície de fratura.

Um resultado Charpy é útil quando é 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 o aspeto 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 relativamente à fratura.

O ensaio de pêndulo de Charpy: provete, entalhe e evento de fratura

Provetes normalizados Charpy com entalhe em V e entalhe em U

Um ensaio de Charpy utiliza uma pequena barra retangular com um entalhe maquinado numa das faces. O provete é colocado horizontalmente sobre dois apoios e, em seguida, atingido por um pêndulo na face oposta ao entalhe. Esta configuração obriga a fissura a iniciar-se num local controlado e a propagar-se através do ligamento remanescente. O resultado não é simplesmente uma propriedade “do aço”; é a resposta de um provete, entalhe, orientação, temperatura e estado do material específicos.

A ISO 148-1:2016 especifica os ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e com 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 permutáveis. Um entalhe em V tem lados inclinados que se encontram num raio de fundo controlado, produzindo uma concentração de tensões relativamente acentuada. Um entalhe em U tem um fundo arredondado e, por conseguinte, um campo de tensões local diferente. A profundidade do entalhe, o ângulo incluído, o raio de fundo, as dimensões do provete e o acabamento superficial são estabelecidos pela norma aplicável. Pequenos desvios podem alterar a iniciação da fissura e a deformação plástica anterior à fratura.

Dimensão nominal (mm)

O provete Charpy de tamanho completo normalmente utilizado tem 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. Num provete com entalhe em V, o entalhe tem normalmente 2 mm de profundidade, um ângulo incluído de 45 graus e um raio de fundo especificado. Estes valores descrevem uma geometria normalizada, e não uma receita geral para qualquer provete de impacto. As dimensões do entalhe em U também devem seguir a norma selecionada e não podem ser inferidas a partir da prática relativa ao entalhe em V.

A ASTM E23 abrange tanto os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada como os ensaios de impacto Izod em viga encastrada. Esta distinção é importante. Um provete Izod é fixado como uma consola e atingido acima do apoio, enquanto um provete Charpy é apoiado em ambas as extremidades. Um valor obtido por um método não pode ser apresentado como sendo do outro. A ASTM E23 aborda igualmente os requisitos aplicáveis aos provetes, os procedimentos, a verificação das máquinas, a apresentação de resultados e a determinação do aspeto da fratura por corte.

O entalhe é normalmente orientado de modo que o percutor aplique a carga na face não entalhada e que o entalhe fique no lado tracionado da secção em flexão. A iniciação da fissura ocorre então no fundo do entalhe à medida que o ligamento flete. A orientação do provete também deve ser comunicada. Numa chapa laminada, por exemplo, um provete Charpy com entalhe em V longitudinal amostra uma combinação diferente de direção de laminagem, inclusões, bandagem e estrutura dos grãos, em comparação com um provete transversal ou na direção da espessura. A ASTM A673/A673M especifica os procedimentos de amostragem para ensaios Charpy longitudinais com entalhe em V de aços estruturais e distingue as frequências de ensaio por corrida das de ensaio por peça. A amostragem é, portanto, parte integrante do significado do resultado comunicado.

Impacto pendular e cálculo da energia absorvida

Antes da libertação, o pêndulo é elevado até uma altura definida e recebe uma energia potencial conhecida. Oscila para baixo, atinge o provete a uma velocidade controlada, fratura ou flete a barra e sobe, no lado oposto, até uma altura inferior. 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 gravítica e $h_1$ e $h_2$ são as alturas inicial e final do pêndulo. As máquinas reais têm em conta as perdas mecânicas, o atrito, a resistência aerodinâmica, a geometria do percutor e a calibração da máquina. O valor indicado é convencionalmente comunicado 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 a uma elevada velocidade de aplicação de carga, que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto. As máquinas são verificadas periodicamente através de procedimentos como o NIST Charpy Machine Verification Program, utilizando provetes certificados ao abrigo das normas ASTM E23 e ISO 148-2. A verificação estabelece que a máquina produz resultados aceitáveis; não elimina a variação causada pela composição química do aço, pelo tratamento térmico, pela preparação dos provetes ou pela amostragem.

A energia inclui mais do que a energia necessária para criar uma nova superfície de fissura. Inclui também a flexão elástica e plástica, a iniciação da fissura, o rasgamento estável, os efeitos do atrito e outras deformações que ocorrem durante o evento. Um valor elevado é frequentemente acompanhado por rasgamento dúctil, enquanto um valor baixo é normalmente acompanhado por uma fratura dominada pela clivagem, mas a energia, por si só, não identifica o processo completo de fratura. A superfície fraturada deve ser examinada e, quando exigido, deve ser registado o aspeto da fratura por corte.

A temperatura pode alterar acentuadamente o resultado. Os aços ferríticos, como muitas qualidades de aço-carbono e de aço estrutural de baixa liga, podem apresentar uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Um único valor à temperatura ambiente não pode representar o comportamento à temperatura de projeto de inverno, numa zona termicamente afetada pela soldadura ou durante um evento de propagação rápida de fissura em serviço. A energia Charpy pode apoiar correlações especificadas para estimar a tenacidade à fratura do limite inferior em aços ferríticos, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Não é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana, nem estabelece diretamente o desempenho de arresto de fissuras. O ensaio de rasgamento por queda de peso é um método distinto para avaliar o comportamento de arresto de fissuras em aços de tubagens, medindo as frações de corte dúctil e de clivagem ao longo de diferentes temperaturas de impacto.

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

O provete Charpy comporta-se aproximadamente como uma viga simplesmente apoiada durante o impacto. As suas extremidades assentam em bigornas com um vão prescrito, enquanto o percutor aplica uma carga concentrada próximo do ponto médio. Os apoios, o vão, o raio do percutor, a folga, o alinhamento e a velocidade de impacto influenciam a tensão de flexão e o grau de restrição em torno do entalhe. Um provete mal assente, desalinhado, danificado ou atingido fora do local especificado pode produzir um valor enganador, mesmo quando as suas dimensões parecem corretas.

A orientação do entalhe determina qual a direção do material colocada ao longo do percurso da fissura. A textura de laminagem, as inclusões alongadas, a estrutura de solidificação da soldadura, a segregação e a deformação anterior podem fazer com que os resultados longitudinais, transversais e na direção da espessura sejam substancialmente diferentes. As marcas de maquinagem, um raio de fundo excessivo, as rebarbas, a corrosão e o calor gerado durante a preparação também podem alterar a iniciação da fissura. A comparabilidade exige a utilização da mesma norma, do mesmo tipo de entalhe, das mesmas dimensões, orientação, temperatura, configuração dos apoios e historial de preparação.

As ranhuras laterais ilustram como a geometria pode alterar ainda mais o comportamento da fratura. Em 2011, o NIST comunicou que as ranhuras laterais reduzem a acumulação de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a formação de fissuras longitudinais; a gravidade dessa fissuração é máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Estes provetes podem ser úteis numa investigação definida, mas os seus resultados não devem ser combinados com valores Charpy comuns sem indicação do método utilizado.[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 pendular Charpy com entalhe em V, que regista a força e o deslocamento, ou sinais relacionados, para fornecer informação adicional 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 normalizada a um único evento de impacto controlado — não uma simulação direta de todas as fissuras em serviço, histórias de carregamento, condições de restrição ou problemas de arresto de fissuras.

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

Os resultados Charpy são medições normalizadas, mas não são automaticamente permutáveis entre normas. Um valor declarado depende do provete, do entalhe, da orientação, da temperatura de ensaio, da máquina de pêndulo, do estado de verificação, da condição do material e das regras de declaração dos resultados. Descreve também a energia de impacto absorvida — e não a tenacidade à fratura em deformação plana, a resistência à paragem da fissura ou todos os aspetos do comportamento à fratura.

A NIST descreve o ensaio Charpy como um ensaio a uma elevada velocidade de aplicação de carga que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto (NIST, 2024). Esta distinção é importante no caso dos aços ferríticos, que sofrem normalmente uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Um resultado à temperatura ambiente pode, por conseguinte, ocultar uma redução acentuada da energia a uma temperatura de serviço inferior.

O que a ASTM E23 controla e declara[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 como os ensaios de impacto Izod em viga em consola (ASTM International, 2025). No caso dos ensaios Charpy, os seus requisitos abrangem as dimensões do provete e os pormenores do entalhe, o apoio e a orientação do provete, o procedimento de ensaio, o funcionamento da máquina, a verificação e a declaração dos resultados. A norma inclui também a determinação do aspeto da fratura por cisalhamento, permitindo que a superfície de fratura complemente o resultado da energia absorvida.

Este âmbito faz com que o valor declarado seja mais do que uma simples leitura do pêndulo, mas não transforma o ensaio numa medição direta da tenacidade à fratura. A máquina regista a diferença de energia associada ao provete fraturado, normalmente expressa em joules ou libras-pé. O valor só é significativo quando acompanhado do tipo de entalhe, da orientação do provete, 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 provetes de referência certificados ao abrigo da ASTM E23 e da ISO 148-2, através de programas como o Charpy Machine Verification Program da NIST. Uma máquina que não tenha cumprido os 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 distingue as frequências de ensaio por corrida das frequências de ensaio por peça. Assim, dois resultados obtidos pelo mesmo procedimento de impacto podem representar níveis diferentes de controlo da produção se os seus planos de amostragem forem diferentes.

O aspeto da fratura fornece evidências que a energia, por si só, não pode fornecer. A fratura dúctil por cisalhamento absorve geralmente mais energia, enquanto a fratura frágil dominada por clivagem absorve geralmente menos. A percentagem de fratura por cisalhamento pode identificar a posição de um provete numa curva de transição, embora as medições do aspeto devam seguir o procedimento de declaração aplicável. Um resultado de elevada energia no patamar superior não estabelece um valor específico de $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou de tenacidade à paragem da fissura.

Âmbito 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). Define a configuração convencional do ensaio: um provete entalhado é apoiado como uma viga simplesmente apoiada e fraturado por um percutor de pêndulo em condições especificadas. A energia absorvida resultante é um valor de impacto definido pelo método, e não uma constante universal do material.

As configurações com entalhe em V e com entalhe em U não são permutáveis. A geometria do entalhe altera a concentração de tensões, a deformação plástica, a iniciação da fissura e a energia necessária para fraturar o provete. Por conseguinte, as dimensões do provete, a forma do entalhe, a orientação, a temperatura, os pormenores 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. Diz respeito ao ensaio convencional com pêndulo e à determinação da energia absorvida; as medições que exigem o registo da força e do deslocamento pertencem à ISO 14556. A ISO 148-2 aborda a verificação das máquinas de impacto pendular Charpy, pelo que 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 âmbito 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 utilizada para estimar um valor inferior de tenacidade à fratura nestas regiões; as relações aplicáveis ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior não são iguais (TWI, 2024). Estas correlações só são aplicáveis dentro dos limites de material, geometria e temperatura nelas especificados.[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 investigação da NIST publicada em 2011 sobre provetes Charpy com entalhes laterais concluiu que os entalhes laterais reduzem a deformação plástica acumulada nas energias do patamar superior e promovem a formação de separações. A gravidade das separações foi maior próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Esta conclusão ilustra por que motivo a preparação do provete pode alterar o comportamento à fratura sem modificar a designação nominal Charpy.

Ensaios Charpy instrumentados ao abrigo da 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 registo utilizados (ISO, 2023). Para além da energia total absorvida pelo pêndulo, o sistema instrumentado regista dados relacionados com a força durante o impacto, permitindo analisar fases como a iniciação da fissura, a propagação instável e a fratura subsequente, em conformidade com os requisitos de medição e de interpretação dos dados da norma.

Isto pode fornecer informações sobre o comportamento à fratura, em vez de apenas um único valor integrado de energia. Os registos força-deslocamento ou força-tempo podem ajudar a distinguir a energia de iniciação da energia de propagação e podem revelar diferenças entre rasgamento dúctil, clivagem e fratura mista. Os sinais adicionais não produzem automaticamente um valor de tenacidade à fratura em deformação plana; o tamanho do provete, o grau de restrição, a acuidade do entalhe, a calibração e os pressupostos da análise continuam a ser importantes.

A ISO 14556:2023 é especificamente um método Charpy instrumentado com entalhe em V. Os seus resultados não devem ser combinados indiscriminadamente com valores convencionais Charpy com entalhe em V da ISO 148-1:2016 ou com valores da ASTM E23, mesmo quando os provetes parecem semelhantes. Equipamentos, calibrações, definições, filtragem, convenções de declaração e critérios de aceitação diferentes podem alterar as grandezas declaradas.

O ensaio Charpy também não deve ser confundido com o ensaio de rasgamento por queda de peso. Esse método distinto avalia o comportamento de aços de tubagens à paragem da fissura, medindo as frações de cisalhamento dúctil e de clivagem em várias temperaturas de impacto. Responde a uma questão de engenharia diferente. A energia Charpy, os dados de impacto instrumentado, o aspeto da fratura e as medições da paragem da fissura são evidências relacionadas, não designações permutáveis.

Verificação da Máquina, Calibração e Credibilidade de um Resultado

Verificação direta e provetes de referência certificados

Um resultado Charpy só é credível quando o sistema de ensaio completo demonstrou ser capaz de produzir uma resposta conhecida. A verificação da máquina fornece essa demonstração. Não é o mesmo que verificar se o pêndulo oscila, se o provete cabe entre as bigornas ou se a escala apresenta um valor plausível.

De acordo com a ASTM E23 e a ISO 148-2, a verificação direta utiliza provetes de referência certificados com valores de energia de impacto estabelecidos. O laboratório fratura esses provetes na máquina e compara os resultados medidos com o intervalo certificado. Como os provetes de referência têm um comportamento conhecido, testam a máquina e a sua cadeia de medição em condições reais de impacto, em vez de apenas verificarem dimensões individuais.

Esta distinção é importante porque o ensaio Charpy é uma medição a uma elevada 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 tem de transferir energia através de um evento de fratura de curta duração, enquanto a máquina regista a diferença entre a sua energia inicial e final. Pequenas perdas mecânicas ou erros geométricos podem, por isso, afetar o valor indicado.

Uma verificação direta pode revelar vários modos de falha simultaneamente. Uma fricção excessiva do pêndulo reduz a energia disponível antes do impacto. Um percutor danificado, arredondado, incorretamente orientado ou com dimensões incorretas altera a forma como o entalhe é carregado. Bigornas desgastadas ou um espaçamento incorreto entre os apoios alteram as condições de flexão e de contacto. Um desalinhamento dos apoios pode introduzir torção ou uma restrição desigual. A máquina pode ainda produzir uma fratura limpa e uma leitura de mostrador credível, embora não cumpra o requisito relativo aos provetes de referência.

A capacidade da máquina também tem uma função definida. Um pêndulo demasiado grande para o intervalo de energia pretendido pode proporcionar uma resolução deficiente, enquanto uma máquina com capacidade insuficiente não consegue fraturar corretamente o provete ou pode perder exatidão de medição próximo do seu limite. A norma aplicável e o projeto da máquina determinam a capacidade permitida, o intervalo de energia, a geometria do percutor, os apoios do provete e o sistema de indicação.

A verificação não é simplesmente um sinónimo de calibração. A calibração diz geralmente respeito à exatidão de um elemento de medição relativamente a uma referência rastreável. A verificação procura determinar se a máquina Charpy montada, incluindo os seus componentes mecânicos e a 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 a verificação direta porque o percutor, os rolamentos, a fricção 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 através da utilização de provetes certificados, em conformidade com a ASTM E23 e a ISO 148-2. O programa existe porque as diferenças entre máquinas podem ser suficientemente grandes para ocultar diferenças entre materiais, sobretudo quando as energias medidas estão próximas de um limite de especificação ou quando os resultados são comparados entre laboratórios.

Os provetes certificados não substituem os provetes de produção. São materiais de controlo utilizados para estabelecer se a resposta medida pela máquina se encontra dentro de um intervalo aceite. Um resultado aprovado sustenta a confiança no sistema de ensaio no momento da verificação; não certifica todos os ensaios futuros nem demonstra que todos os provetes foram corretamente preparados, orientados, condicionados e ensaiados.

Entre verificações formais, continuam a ser necessárias verificações de rotina. O pessoal deve confirmar as dimensões do percutor e das bigornas, o alinhamento dos apoios, a posição do pêndulo, o nivelamento da máquina, as perdas por fricção, o funcionamento do sistema de indicação ou da instrumentação e o estado das proteções e do equipamento de contenção. O provete deve cumprir as dimensões exigidas, o raio e a profundidade do entalhe, a orientação do entalhe e o estado superficial requeridos. Uma inspeção do entalhe pode identificar rebarbas, rugosidade excessiva, marcas de maquinagem ou um raio fora da tolerância. Essas verificações abordam a geometria do provete e da máquina; a verificação direta aborda a resposta de fratura medida pelo sistema montado.

O controlo da temperatura é uma fonte de incerteza distinta. Os aços ferríticos podem passar de uma fratura dúctil, de elevada energia, para uma fratura dominada pela clivagem, de baixa energia, à medida que a temperatura diminui. Um provete ensaiado à temperatura errada pode produzir um valor 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 provete. O procedimento do operador é igualmente importante: uma centragem incorreta, um provete invertido, uma libertação retardada ou uma orientação errada do entalhe podem invalidar uma máquina que, de outro modo, teria sido aprovada.

A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada e Izod em viga em consola, incluindo a verificação da máquina, a elaboração de relatórios e a determinação da aparência da fratura por cisalhamento. A ISO 148-1:2016 especifica os ensaios pendulares Charpy com entalhe em V e em U para materiais metálicos. Os ensaios instrumentados são distintos: a ISO 14556:2023 aborda os ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V e o equipamento utilizado para registar informações adicionais sobre a fratura.

Porque é que um valor de impacto aparentemente correto pode continuar a não ser fiável

Um resultado numérico pode parecer razoável e, ainda assim, não ter significado para o material. A verificação não pode eliminar a dispersão entre provetes, a variação entre corridas de fabrico, os efeitos da orientação ou os erros de amostragem. 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 de fabrico das frequências de ensaio por peça. O plano de amostragem faz, portanto, parte daquilo que o resultado representa. Três provetes corretamente ensaiados, provenientes de uma localização não representativa, 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, fendilhamento e deformação plástica. A NIST comunicou, em 2011, que as ranhuras laterais reduzem a acumulação de deformação plástica em energias do patamar superior e promovem o fendilhamento, sendo a intensidade do fendilhamento máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. A geometria do provete pode alterar o processo de fratura.

A energia Charpy também não é um valor de tenacidade à fratura em deformação plana. As correlações podem estimar a tenacidade à fratura de limite inferior para determinados aços ferríticos e intervalos de temperatura, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Um valor 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 os ensaios de paragem de fissuras. O ensaio de rasgamento por queda de peso avalia o comportamento de paragem de fissuras de aços para tubagens através das frações de cisalhamento dúctil e de clivagem ao longo de diferentes temperaturas de impacto. Responde a uma pergunta diferente. Uma máquina verificada torna um valor Charpy mais fiável enquanto medição; não transforma esse valor numa descrição completa da resistência à fratura.

Temperatura, aços ferríticos e a transição de dúctil para frágil

Os aços ferríticos apresentam frequentemente uma transição de dúctil para frágil à medida que a temperatura diminui. A temperaturas mais elevadas, pode desenvolver-se deformação plástica em torno do entalhe e absorver uma energia de impacto substancial antes de o provete se separar. A temperaturas mais baixas, o movimento das deslocações é mais restringido, a tensão local aumenta rapidamente na raiz do entalhe e a clivagem pode propagar-se com uma deformação plástica limitada. Esta alteração não é representada por uma única temperatura universal nem por um único valor Charpy.

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

Patamar inferior, região de transição e patamar superior

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

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

A região de transição situa-se entre os patamares inferior e superior. Nesta região, uma alteração modesta da temperatura pode produzir uma grande alteração na energia absorvida e no aspeto da fratura. Alguns provetes podem apresentar uma combinação de clivagem e corte dúctil, e a dispersão pode ser considerável. Por conseguinte, a temperatura associada a uma energia especificada, como uma exigência contratual, não corresponde automaticamente à temperatura física de transição do material. Outra definição pode utilizar uma energia intermédia, um critério baseado no aspeto da fratura ou uma percentagem especificada de fratura por corte.

No patamar superior, o provete absorve muito mais energia através de uma extensa deformação plástica antes da separação final. O valor medido continua, contudo, a não ser um valor direto de tenacidade à fratura. A energia Charpy no patamar superior é afetada pelas dimensões do provete, pela agudeza do entalhe, pela velocidade de deformação, pela orientação e pelo confinamento. Em 2011, o NIST comunicou que os entalhes laterais nos provetes Charpy reduzem a acumulação de deformação plástica para energias do patamar superior e promovem a fissuração longitudinal, sendo a gravidade dessa fissuração máxima próximo da temperatura de transição de dúctil para frágil. Um resultado obtido com entalhes laterais não deve ser tratado como intercambiável com o de um provete-padrão não modificado.

Estes regimes não são pontos numa escala linear de “mau” a “bom”. São utilizadas relações distintas quando a energia Charpy é correlacionada com a tenacidade à fratura de limite inferior para comportamentos correspondentes ao patamar inferior, à região de transição e ao patamar superior, conforme referido pelo TWI em 2024. Essas correlações exigem uma classe de aço, um intervalo de temperaturas, uma configuração do provete e pressupostos de confinamento aplicáveis. A energia Charpy continua a ser energia de impacto, medida em joules; a tenacidade à fratura é habitualmente expressa através de parâmetros como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou uma medida relacionada da ponta da fissura.

Fratura por clivagem versus corte dúctil

A clivagem é um processo de fratura rápido e frágil no qual uma fissura avança ao longo de planos cristalográficos preferenciais, com pouca deformação plástica precedente. A sua superfície de fratura apresenta frequentemente um aspeto relativamente brilhante e granular. Como é realizado apenas um trabalho plástico limitado, os provetes cuja fratura é dominada pela clivagem absorvem geralmente menos energia Charpy. O patamar inferior está, portanto, associado a uma energia baixa e a uma elevada proporção de fratura frágil, embora o aspeto exato dependa do aço, da orientação, do entalhe e da temperatura de ensaio.

A fratura dúctil desenvolve-se através do escoamento plástico e da nucleação, crescimento e coalescência de vazios microscópicos. Geralmente consome mais energia e produz uma superfície fibrosa ou de aspeto baço, frequentemente com lábios de corte junto às faces exteriores. A região de transição pode conter ambos os mecanismos numa mesma superfície de fratura. A comunicação da energia absorvida sem indicação do aspeto da fratura pode ocultar essa alteração.

Por esse motivo, as normas e especificações podem exigir a percentagem de fratura por corte, além da energia. Um provete com energia moderada e uma fratura mista apresenta uma situação diferente da de outro com a mesma energia, mas com corte predominantemente dúctil. A ASTM E23 inclui a determinação do aspeto da fratura por corte e os requisitos de comunicação dos resultados. Os ensaios instrumentados podem acrescentar informação sobre a força, o deslocamento e a energia absorvida durante o evento: a ISO 14556:2023 aborda os ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V, enquanto a ISO 148-1:2016 não abrange esse método instrumentado.

O ensaio de rasgamento por queda de peso fornece outra distinção útil. Trata-se de um método separado, destinado a aços para condutas, para avaliar o comportamento de interrupção de fissuras, determinando as frações de corte dúctil e de clivagem ao longo de várias temperaturas de impacto. Os seus resultados não devem ser substituídos pela energia Charpy nem apresentados como se correspondessem à mesma medição.

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

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

Esta limitação é especialmente importante no caso dos 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 provetes conforme não descreve necessariamente todas as localizações, orientações, corridas, espessuras ou condições do produto.

A temperatura de ensaio deve, por conseguinte, ser indicada juntamente com a energia absorvida, a orientação do provete, a designação do entalhe, a norma e qualquer requisito relativo à fratura por corte. O estado 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 provetes certificados para a verificação periódica das máquinas. Sem esses pormenores, um número de “tenacidade Charpy” comunicado está incompleto. A temperatura não é uma nota de rodapé do resultado; no caso do aço ferrítico, pode determinar se a fratura observada é predominantemente dúctil ou dominada pela clivagem.

Histórico da Amostragem, da Orientação e do Processamento do Aço

ASTM A673/A673M e amostragem de aço estrutural

Um resultado Charpy descreve um provete definido, retirado de uma peça de aço definida. Para chapas estruturais, a ASTM A673/A673M é importante porque especifica os procedimentos de amostragem para ensaios Charpy de entalhe em V na direção longitudinal, em vez de tratar a amostragem como um detalhe administrativo acrescentado após o ensaio. A norma estabelece de onde são retirados os provetes e com que frequência são necessárias amostras de impacto ao abrigo das disposições relativas a ensaios por corrida ou por peça. Essas opções fazem parte do significado do resultado.

A localização da amostragem pode ser relevante, porque uma chapa não é perfeitamente uniforme ao longo do seu comprimento, da sua largura ou da sua espessura. A segregação química pode ser mais intensa junto de determinadas regiões de um lingote ou de um produto obtido por lingotamento contínuo, enquanto a redução por laminagem, a velocidade de arrefecimento e as diferenças de temperatura entre a superfície e o centro podem produzir microestruturas diferentes ao longo da espessura. Um provete cortado numa das localizações permitidas demonstra, portanto, o comportamento do material amostrado ao abrigo do plano especificado. Não estabelece automaticamente o comportamento de todas as localizações da chapa, de todas as chapas de uma série de produção ou de todos os componentes fabricados a partir dela.

A ASTM A673/A673M deve também ser lida em conjunto com a especificação aplicável do material e com os requisitos de aquisição ou de fabrico. A edição e as regras aplicáveis ao produto determinam as disposições exatas relativas à amostragem. Um relatório que indique apenas «ensaiado por Charpy» omite informações essenciais: a norma aplicável, a orientação do provete, a temperatura de ensaio, a localização da amostra, a frequência exigida, o resultado da energia absorvida e qualquer requisito relativo ao aspeto da fratura. A ASTM E23 fornece o enquadramento geral para os ensaios Charpy de flexão simples, incluindo os requisitos dos provetes, os procedimentos, a verificação da máquina, a elaboração de relatórios e a determinação do aspeto da fratura por corte. O Programa de Verificação de Máquinas Charpy do NIST descreve o ensaio como uma medição, a uma elevada velocidade de aplicação de carga, da energia absorvida durante a fratura; não transforma essa energia num valor direto de tenacidade à fratura em deformação plana.

Ensaios longitudinais versus transversais

«Charpy longitudinal» identifica a orientação do provete relativamente à direção principal de laminagem do produto. Num provete longitudinal, o comprimento do provete está geralmente alinhado com a direção de laminagem, enquanto a orientação do entalhe determina a direção em que a fissura se propaga através do material. Um provete transversal é cortado com o seu comprimento transversalmente à direção de laminagem. Trata-se de direções materiais diferentes, e não de designações permutáveis.

A laminagem alonga os grãos e as inclusões e pode produzir uma microestrutura bandada. Consequentemente, uma fissura que avance através de características alongadas pode encontrar uma sequência diferente de ferrite, perlite, bandas de segregação ou inclusões daquela que encontraria uma fissura que avançasse ao longo dessas características. A energia medida pode variar com a orientação, especialmente em aços de chapa com textura acentuada, bandagem pronunciada ou fragilidade na direção da espessura. O efeito não é determinado apenas pela designação do grau. A espessura da chapa, a razão de redução, a prática de reaquecimento, a laminagem controlada, a normalização, a têmpera e revenido e o historial de arrefecimento contribuem todos para esse efeito.

O entalhe e a direção de propagação da fissura merecem igual atenção. Uma designação longitudinal na ASTM A673/A673M não constitui um substituto universal de um requisito de tenacidade transversal, na direção da espessura ou relacionado com soldadura. Se uma estrutura for solicitada numa direção da chapa que não esteja representada pelo cupão de ensaio, o valor reportado pode constituir uma base incompleta para a avaliação. O engenheiro deve fazer corresponder a orientação do provete à trajetória prevista da fissura e ao requisito da norma de projeto ou de material aplicável.

A temperatura acrescenta outra limitação. Os aços ferríticos sofrem normalmente uma transição dúctil-frágil à medida que a temperatura diminui. Um valor longitudinal à temperatura ambiente pode, por conseguinte, ocultar um resultado muito inferior à temperatura de serviço ou uma resposta diferente de um provete transversal à mesma temperatura. A energia absorvida e o aspeto da fratura devem ser analisados em conjunto: a fratura dúctil por corte absorve geralmente mais energia, ao passo que a fratura predominantemente por clivagem absorve normalmente menos. A ASTM E23 inclui a determinação do aspeto da fratura por corte, 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 os ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V e o equipamento utilizado para registar informações adicionais sobre força e deslocamento.

Ensaios por corrida, ensaios por peça e variabilidade do material

Os ensaios por corrida e os ensaios por peça são estratégias de amostragem, não duas designações para o mesmo ensaio. O ensaio por corrida relaciona a frequência de amostragem com a corrida de aço — o material produzido a partir de uma 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 estas abordagens e as respetivas frequências, pelo que uma especificação que invoque uma delas não pode ser interpretada como se exigisse a outra. A frequência exata deve ser retirada da edição e da disposição aplicáveis ao produto; não deve ser inferida a partir de uma prática Charpy genérica.

Esta distinção é importante quando uma corrida é transformada em muitas chapas, quando as chapas diferem substancialmente em espessura ou quando as condições de processamento se alteram durante a produção. Uma amostra ao nível da corrida pode fornecer evidência relativa ao material abrangido pelo plano de amostragem especificado, mas não pode revelar todas as linhas locais de inclusões, bandas de segregação, delaminações ou variações de processamento. O ensaio por peça aumenta a relação direta entre um resultado e uma determinada peça do produto, mas continua a examinar a região amostrada e não toda a estrutura acabada.

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

Em 2011, o NIST comunicou que os entalhes laterais nos provetes Charpy reduzem a acumulação de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a separação, sendo a intensidade da separação máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Isto demonstra por que razão a geometria do provete e o aspeto da fratura podem alterar a interpretação de um valor de energia. A energia Charpy pode fundamentar estimativas especificadas de tenacidade à fratura de limite inferior para aços ferríticos, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Continua a tratar-se de um resultado de energia de impacto relativo à orientação e ao estado do material amostrado — não de uma descrição completa de todas as trajetórias de fissuração, regiões de soldadura ou componentes.

Aspeto da fratura, área de cisalhamento, fendilhamento e ranhuras laterais

O provete Charpy fraturado contém informações que o valor da energia absorvida, por si só, não consegue revelar. A energia corresponde ao trabalho realizado pelo pêndulo ao fraturar o provete; o aspeto da fratura regista como esse trabalho foi despendido. Um valor elevado 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, propagação da fissura e constrangimento.

Esta distinção é especialmente importante no caso dos aços ferríticos, que passam normalmente de um comportamento dúctil a temperaturas mais elevadas para um comportamento dominado pela clivagem à medida que a temperatura diminui. Um resultado à temperatura ambiente pode, portanto, ocultar uma transição na qual o modo de fratura se altera acentuadamente num intervalo de temperatura relativamente pequeno. A ASTM E23 inclui a determinação do aspeto da fratura por cisalhamento nos ensaios Charpy e Izod, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica os ensaios de impacto com pêndulo Charpy com entalhe em V e entalhe em U para materiais metálicos. Nenhuma das normas considera o aspeto da fratura um substituto da energia, da tenacidade ou da qualificação para serviço.

Interpretação das características dúcteis e de clivagem

Uma região de cisalhamento dúctil apresenta geralmente um aspeto fibroso, baço ou rasgado. A fissura avança através de uma deformação plástica substancial, frequentemente por nucleação, crescimento e coalescência de microvazios. Numa superfície de fratura, este mecanismo pode produzir uma textura mais rugosa e lábios de cisalhamento inclinados junto às superfícies livres. O ensaio correspondente regista frequentemente uma energia absorvida mais elevada, porque o provete sofre uma deformação considerável antes da separação completa.

A fratura por clivagem é normalmente mais brilhante e apresenta um aspeto mais cristalino, com facetas relativamente planas e padrões em rio que indicam uma propagação rápida da fissura através de planos cristalográficos preferenciais. Envolve muito menos deformação plástica macroscópica do que a rotura dúctil. Uma superfície dominada pela clivagem é habitualmente acompanhada por um resultado de baixa energia de impacto, mas o aspeto visual deve ser interpretado tendo em conta a orientação do provete, 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 é frequentemente mista, em vez de abrupta. Um provete pode conter rotura dúctil nas superfícies exteriores e uma região de clivagem mais próxima do entalhe, ou áreas distintas de rotura dúctil e de clivagem, separadas por uma fronteira visível. A comunicação da fração de fratura por cisalhamento, frequentemente expressa como percentagem da superfície de fratura, pode mostrar que um material está a atravessar a transição dúctil-frágil, mesmo quando os valores de energia se sobrepõem. Por exemplo, dois provetes podem absorver energias semelhantes, enquanto um apresenta uma fratura predominantemente fibrosa e o outro contém uma área de clivagem substancial; esses resultados não transmitem o mesmo nível de alerta relativamente à propagação de fissuras a baixa temperatura.

O aspeto da fratura também ajuda a evidenciar a dispersão dos resultados. A energia Charpy é afetada pela agudeza do entalhe, pelas inclusões locais, pela estrutura dos grãos, pela orientação do provete e pela temperatura do ensaio. Uma única média pode ocultar um provete com uma região de clivagem anormalmente extensa. O exame das superfícies fraturadas acrescenta uma verificação física sobre a concordância entre a energia medida e o modo de falha esperado.

Esta evidência não deve ser incorretamente designada como tenacidade à fratura em deformação plana. O NIST descreve o ensaio Charpy como um ensaio a uma elevada velocidade de carregamento que mede a energia absorvida durante a fratura e fornece uma medida indireta da tenacidade ao impacto. As correlações podem permitir estimar a tenacidade à fratura do limite inferior para aços ferríticos, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. Um valor Charpy não corresponde diretamente a uma medição de $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou de paragem da fissura.

Aspeto da fratura por cisalhamento como resultado comunicado

O aspeto da fratura por cisalhamento é um resultado comunicado juntamente com a energia absorvida, a temperatura do ensaio, a orientação do provete e os dados de identificação. Em trabalhos baseados em normas, o método utilizado para determinar a fração de cisalhamento é importante; as estimativas visuais, os procedimentos de comparação e as convenções de medição não devem ser combinados sem indicar a respetiva base. O relatório deve identificar se o provete tinha uma configuração normalizada com entalhe em V ou em U e se estava presente alguma modificação, como ranhuras laterais.

Um aumento da fração de cisalhamento com a temperatura geralmente sustenta uma transição da clivagem para a fratura dúctil. Por si só, não estabelece uma temperatura de transição universal. Os engenheiros podem definir uma temperatura de transição com base num critério de energia, num critério de área de cisalhamento ou numa combinação especificada, e essas temperaturas não têm necessariamente de ser idênticas. O critério escolhido deve, portanto, ser indicado.

Os ensaios instrumentados podem fornecer informações adicionais sobre o carregamento e os eventos de fratura. A ISO 14556:2023 abrange os ensaios Charpy instrumentados com entalhe em V e o equipamento utilizado para medir e registar o comportamento ao impacto; os ensaios instrumentados estão fora do âmbito da ISO 148-1:2016. Estes métodos podem ajudar a distinguir as características de iniciação e de propagação, mas continuam a exigir o controlo 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 aço estrutural 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 determinado provete ensaiado; não representam automaticamente todas as chapas, peças ou corridas.

Conclusões do NIST sobre provetes Charpy com ranhuras laterais

A avaliação do NIST de 2011 sobre ensaios de impacto Charpy com ranhuras laterais concluiu que as ranhuras laterais alteram mais do que o contorno do provete. No patamar superior de energia, reduzem a acumulação de deformação plástica e promovem o fendilhamento. A gravidade do fendilhamento comunicada foi maior nas proximidades da temperatura de transição dúctil-frágil.

O fendilhamento é uma característica de separação ou rasgamento longitudinal que pode desenvolver-se à frente da trajetória principal da fratura ou paralelamente a ela. As ranhuras laterais orientam a deformação e alteram o constrangimento ao longo da largura do provete, modificando o crescimento da fissura e a morfologia da fratura resultante. Podem fazer com que a superfície de fratura pareça mais segmentada e podem afetar tanto a energia medida como a divisão entre as regiões dúcteis e de clivagem.

Por esse motivo, os provetes Charpy com ranhuras laterais e os provetes Charpy convencionais não devem ser comparados de forma casual. A geometria alterada modifica o constrangimento, a plasticidade, a extensão da fissura e a possibilidade de ocorrência de fendilhamento. Um resultado obtido com ranhuras laterais pode ser útil para uma finalidade de investigação ou de qualificação definida, mas não constitui simplesmente uma versão mais severa de um resultado normalizado. A geometria, a forma do entalhe, as dimensões das ranhuras, a orientação, a temperatura e o método de comunicação devem ser compatíveis com a comparação pretendida.

As conclusões do NIST reforçam também a limitação central da energia de impacto: o número, por si só, não identifica o mecanismo de fratura. A energia, a área de cisalhamento, as características de clivagem e o fendilhamento devem ser analisados em conjunto, mantendo visíveis a norma aplicável e o projeto do provete.

Ensaios Charpy instrumentados e o que podem revelar sinais adicionais

Os ensaios Charpy instrumentados acrescentam canais de medição ao ensaio de impacto pendular convencional. Em vez de registar apenas a energia inicial e final do martelo, a máquina regista a força aplicada ao provete e a sua variação durante o evento. Esse registo adicional pode mostrar quando o provete começa a perder capacidade de suporte de carga, quanto trabalho ocorre antes do crescimento da fissura e como a fratura se desenvolve após a iniciação. Isto não transforma um provete Charpy num provete convencional de tenacidade à fratura.

A ISO 148-1:2016 especifica ensaios de impacto pendular Charpy com entalhe em V e com entalhe em U para materiais metálicos, mas os ensaios instrumentados estão excluídos desse método. A norma separada, ISO 14556:2023, especifica ensaios de impacto pendular Charpy instrumentados com entalhe em V, bem como o equipamento de medição e registo utilizado para obter informações adicionais sobre o comportamento da fratura em condições de impacto. A ASTM E23 abrange ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada e Izod em viga em consola, incluindo requisitos aplicáveis aos provetes, procedimentos, verificação da máquina, elaboração de relatórios e determinação do aspeto da fratura por corte; um resultado instrumentado continua a depender da norma de ensaio aplicável e dos requisitos de elaboração do relatório.

Informações força-tempo e energia-tempo

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

A forma da curva é importante. Uma subida inicial acentuada pode refletir o carregamento elástico e plástico da zona resistente remanescente junto ao entalhe. Uma força máxima pode assinalar o ponto em que o provete atinge a sua carga máxima, embora a força máxima não seja automaticamente idêntica à iniciação física da fissura. Um trecho descendente pode indicar crescimento da fissura, colapso plástico, alterações no contacto com o percutor ou uma combinação destes efeitos. Por conseguinte, o sinal deve ser interpretado tendo em conta a geometria do provete, a configuração do percutor, o vão, a velocidade de impacto e a temperatura de ensaio.

Um registo significativo começa pela qualidade da medição. Os transdutores de força, a medição do deslocamento ou da velocidade, a temporização, a largura de banda do amplificador, a taxa de aquisição de dados e a calibração afetam todos a curva registada. As vibrações mecânicas podem produzir oscilações semelhantes a eventos de fratura. A filtragem pode remover ruído, mas uma 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 registado e a força efetivamente suportada pelo provete.

A energia instrumentada integrada deve também ser comparada com o 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 relação força-deslocamento podem produzir diferenças. A verificação periódica da máquina continua a ser relevante. A ISO 148-2 e a ASTM E23 fornecem métodos de verificação, incluindo provetes certificados no âmbito do Charpy Machine Verification Program descrito pelo NIST.

Comportamento de iniciação e propagação sob impacto

Uma utilização importante do registo de força consiste em separar o evento em fases. Antes do avanço de uma fissura, a zona resistente junto ao entalhe pode sofrer deformação elástica e plástica. Se ocorrer então a iniciação de uma fissura, a curva força-tempo pode apresentar uma alteração do declive, um máximo local, uma queda súbita ou outra característica definida pelo procedimento analítico. O trabalho até ao ponto de iniciação selecionado pode ser designado por energia de iniciação, enquanto o trabalho restante está associado à propagação subsequente da fissura e à deformação do provete.

Estes termos descrevem uma análise, não uma verdade física automática. A iniciação da fissura pode ocorrer antes de uma queda evidente da força, sobretudo quando se desenvolve gradualmente uma rotura dúctil estável. Inversamente, uma alteração acentuada do sinal pode resultar de um efeito da máquina ou do contacto, e não de uma fissura recém-formada. Para confirmar o que representa uma determinada característica, podem ser necessárias imagens de alta velocidade, análise da superfície de fratura após o ensaio, análise da complacência ou sensores suplementares.

A distinção pode ser especialmente informativa na transição dúctil-frágil dos aços ferríticos. A temperaturas mais baixas, a clivagem pode produzir uma perda rápida de carga e uma deformação relativamente reduzida. A temperaturas mais elevadas, a rotura dúctil e a deformação plástica podem consumir mais energia ao longo de uma parte maior do registo. O aspeto da fratura fornece uma verificação essencial: regiões de corte e fibrosas sustentam, em geral, uma interpretação diferente da de regiões dominadas pela clivagem, mesmo quando dois provetes apresentam energias totais semelhantes.

A orientação do provete e o estado do material continuam a fazer parte do resultado. 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. Uma curva de força detalhada obtida num único local de amostragem não pode estabelecer o comportamento em todas as orientações, espessuras de chapa, regiões de soldadura ou condições de tratamento térmico.

A avaliação do NIST de 2011 sobre provetes Charpy com ranhuras laterais concluiu que as ranhuras laterais reduzem a acumulação de deformação plástica nas energias do patamar superior e promovem a separação longitudinal, sendo a intensidade dessa separação máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Estas alterações geométricas podem modificar o historial de força e o aspeto da fratura. Não devem ser tratadas como uma modificação menor ao comparar conjuntos de dados.

Limites da conversão de dados instrumentados em tenacidade à fratura

Os dados Charpy instrumentados podem apoiar cálculos de mecânica da fratura, mas a conversão exige um procedimento analítico especificado, uma calibração validada e pressupostos relativos à geometria da fissura, à deformação, à velocidade de carregamento e ao comportamento do material. Um simples registo força-tempo 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 normalizado de tenacidade à fratura utiliza um provete pré-fissurado por fadiga, dimensões controladas, medição do tamanho da fissura, requisitos de validade e critérios relativos à deformação plana ou à tenacidade elasto-plástica. Um entalhe Charpy em V maquinado tem um raio de entalhe, uma geometria da zona resistente, uma configuração de carregamento e, frequentemente, um nível de constrangimento diferentes. O carregamento dinâmico modifica ainda mais a resposta do material. Mesmo que uma curva instrumentada permita estimar a energia de iniciação ou uma força associada ao crescimento da fissura, essa estimativa não é automaticamente permutável com a tenacidade à fratura.

A energia Charpy pode ser relacionada com um limite inferior da tenacidade à fratura de aços ferríticos através de correlações especificadas, mas aplicam-se relações distintas ao comportamento no patamar inferior, na região de transição e no patamar superior. A temperatura, a geometria do entalhe, a orientação do provete, o aspeto da fratura e o estado do material devem acompanhar o valor numérico. O comportamento de paragem de fissuras é novamente uma questão distinta: o ensaio de rasgamento por queda de peso caracteriza a paragem de fissuras em aços de tubagens através das frações de corte dúctil e de clivagem ao longo de temperaturas de impacto, em vez de substituir os dados Charpy ou de tenacidade à fratura pelo seu resultado.

Por conseguinte, os ensaios instrumentados acrescentam evidência, não um fator de conversão universal. A sua interpretação mais sólida ocorre quando o equipamento foi verificado, os sinais são limpos e calibrados, o provete e a temperatura estão documentados e o critério de iniciação ou propagação é explicitamente indicado.

Da energia Charpy à tenacidade à fratura e à paragem de fissuras

A energia Charpy não é um valor de tenacidade à fratura. É a energia absorvida quando um provete normalizado com entalhe se rompe sob o impacto de um pêndulo a uma elevada velocidade 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 extremidade da fissura, como $K_{\mathrm{IC}}$, $J_{\mathrm{IC}}$ ou o deslocamento de abertura da extremidade da fissura. A distinção é importante porque um pequeno provete Charpy e um grande componente estrutural fissurado estão sujeitos a diferentes níveis de constrangimento, dimensões de fissura, estados de tensão e dimensões da zona plástica.

A ASTM E23 abrange os ensaios de impacto Charpy em viga simplesmente apoiada e Izod em viga em consola, enquanto a ISO 148-1:2016 especifica os ensaios pendulares Charpy com entalhe em V e entalhe em U para materiais metálicos. Os ensaios de impacto instrumentados são distintos: a ISO 14556:2023 trata dos ensaios instrumentados Charpy com entalhe em V e regista a força, o deslocamento e a energia durante a fratura. A verificação da máquina também afeta a confiança no resultado. A ASTM E23 e a ISO 148-2 exigem verificações periódicas, incluindo ensaios com provetes de referência certificados, e o NIST gere um Programa de Verificação de Máquinas Charpy.

O valor em joules reportado descreve, portanto, um provete, entalhe, orientação, temperatura, velocidade de ensaio e condição do material específicos. A ASTM A673/A673M acrescenta outra qualificação para o aço estrutural: especifica os procedimentos de amostragem para ensaios longitudinais Charpy com entalhe em V e distingue as frequências de ensaio por corrida de produção das frequências de ensaio por peça. A amostragem faz parte do significado do resultado. Um valor obtido num único provete selecionado não pode representar automaticamente todas as chapas, regiões adjacentes a soldaduras, direções de laminagem ou temperaturas de serviço.

Correlações condicionais para aços ferríticos

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

Aplicam-se relações distintas ao comportamento 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 provocar grandes alterações no modo de fratura e na energia medida; por isso, a temperatura à qual o valor Charpy foi obtido é essencial. O aspeto da fratura fornece uma segunda evidência: uma fratura dominada pela clivagem absorve geralmente menos energia, ao passo que a rotura dúctil costuma produzir maior deformação plástica e uma energia absorvida mais elevada.

Mesmo no caso dos aços ferríticos, a composição química, a dimensão dos grãos, o nível de resistência, o tratamento térmico, a espessura da chapa, a direção de laminagem, a agudeza do entalhe e a irradiação ou o envelhecimento térmico podem alterar a relação. Uma correlação é, assim, um modelo condicional, e não uma conversão universal de joules em tenacidade à fratura. Pode fornecer uma estimativa conservadora de triagem para uma população de materiais, um intervalo de temperaturas, uma orientação do provete e uma condição de validade definidos. Não transforma um resultado Charpy de rotina numa medição da tenacidade à fratura em deformação plana.

O próprio provete também pode afetar a interpretação. Num estudo do NIST publicado em 2011, os provetes Charpy com ranhuras laterais apresentaram uma menor acumulação de deformação plástica para energias do patamar superior e um aumento da fissuração por separação; a intensidade da fissuração por separação foi máxima próximo da temperatura de transição dúctil-frágil. Esta constatação reforça o ponto essencial: mesmo uma geometria Charpy modificada pode alterar o processo de fratura e não pode ser tratada como equivalente a um provete comum com entalhe em V.

Estimativas de limite inferior e respetivas limitações

Uma estimativa de limite inferior destina-se a evitar que se atribua ao material uma resistência à fratura superior à que as evidências sustentam. Pode ser adequada para uma triagem preliminar, para avaliações de integridade realizadas segundo procedimentos definidos ou para situações em que um código ou uma prática regulamentar permita especificamente uma relação baseada em resultados Charpy. A estimativa deve manter as suas condições: família do material, intervalo do limite de elasticidade, orientação, temperatura, configuração do entalhe, intervalo de energia e parâmetro de tenacidade à fratura estimado.

O limite inferior não constitui uma garantia de que um componente resistirá a qualquer fissura. Os provetes Charpy são pequenos e a sua fratura pode ocorrer com menor constrangimento do que num componente espesso que contenha uma fissura de fadiga afiada. Uma fissura estrutural pode, portanto, estar sujeita a um campo de tensões diferente do entalhe maquinado do provete Charpy. A espessura, as tensões residuais, os defeitos de soldadura, a velocidade de carregamento, a dimensão da fissura e a biaxialidade podem todos reduzir a relevância de uma simples correlação baseada na energia. Um valor medido à temperatura ambiente também diz pouco sobre o comportamento a uma temperatura de serviço inferior, salvo se a curva de transição tiver sido estabelecida.

O aspeto da fratura e os dados relativos à temperatura de transição devem acompanhar o valor de energia sempre que o risco de fratura frágil seja relevante. Um único resultado no patamar superior pode ocultar uma transição acentuada a temperaturas mais baixas; um resultado no patamar inferior pode identificar uma condição em que a clivagem já é o mecanismo dominante. Os ensaios diretos de tenacidade à fratura continuam a ser necessários quando a avaliação depende de um valor qualificado de $K$, $J$ ou deslocamento de abertura da extremidade da fissura, sob requisitos especificados de constrangimento e validade.

Diferenças do ensaio de tração por queda de peso

O ensaio de tração por queda de peso responde a uma questão diferente da dos ensaios Charpy. Foi desenvolvido para avaliar o comportamento de paragem de fissuras em aços para condutas, e não simplesmente para classificar pequenos provetes pela energia de impacto absorvida. Um provete em tira, relativamente comprido e com entalhe, é submetido a impacto em condições controladas, e a superfície de fratura resultante é examinada num intervalo de temperaturas. A avaliação centra-se nas proporções de fratura por corte dúctil e por clivagem, incluindo a questão de saber se uma fratura em propagação permanece parada à medida que o modo de fratura se altera.

O ensaio Charpy determina quanta energia um provete normalizado com entalhe absorve antes da fratura e pode reportar a energia absorvida, a expansão lateral e o aspeto da fratura por corte. O ensaio de tração por queda de peso determina como se comporta uma fratura em propagação num aço para condutas e como a superfície de fratura se altera entre a rotura dúctil e a clivagem. Ambos os ensaios podem revelar uma transição dúctil-frágil, mas as suas geometrias, dimensões dos provetes, respostas ao carregamento e resultados de engenharia são diferentes.

Utilize o ensaio Charpy para estabelecer o comportamento da energia de impacto e da transição para o material e a orientação especificados. Utilize uma correlação Charpy autorizada apenas para uma estimativa declarada, de limite inferior, da tenacidade à fratura. Utilize o ensaio de tração por queda de peso quando a questão de engenharia disser respeito à fratura de longa propagação e à paragem de fissuras em aços para condutas. Nenhum dos resultados pode, por si só, responder à outra questão.

Referências

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2. [2]ASTM International. ASTM A673/A673M: Standard Specification for Sampling Procedure for Impact Testing of Structural Steel. ASTM International standard, 2025. https://store.astm.org/a0673_a0673m-25.html
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
6. [6]TWI. What fracture toughness can I assume for a ferritic steel if I know that it meets a certain Charpy energy requirement?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-fracture-toughness-can-i-assume-for-a-ferritic-steel-if-i-know-that-it-meets-a-certain-charpy-energy-requirement
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