Existem três convenções padrão para definir deslocamentos relativos em materiais elásticos com a finalidade de analisar a propagação de trincas[3]​ conforme proposto por Irwin").[9]​ Além disso, a fratura pode envolver tensão uniforme ou uma combinação desses modos.[4]​.

A forma como uma fissura se propaga através de um material dá uma ideia do modo de fratura. Na fratura dúctil, a trinca se move lentamente e é acompanhada por uma grande deformação plástica ao redor da ponta da trinca. Uma trinca dúctil geralmente não se propagará a menos que uma tensão mais alta seja aplicada e geralmente para de se propagar quando a carga é removida.[4]​ Em um material dúctil, uma trinca pode progredir para uma seção do material onde as tensões são ligeiramente mais baixas e parar devido ao efeito de embotamento das deformações plásticas na ponta da trinca. Por outro lado, na fratura frágil, as fissuras estendem-se muito rapidamente, com pouca ou nenhuma deformação plástica. As rachaduras que se propagam em um material frágil continuarão a crescer depois de iniciadas.

A propagação de fissuras também é classificada pelas características da fissura em nível microscópico. Uma fissura que passa pelos grãos dentro do material está sofrendo uma fratura transgranular. Uma trinca que se propaga ao longo dos limites dos grãos é chamada de fratura intergranular. Normalmente, as ligações entre os grãos do material são mais fortes à temperatura ambiente do que o próprio material, portanto é mais provável que ocorra fratura transgranular. Quando as temperaturas aumentam o suficiente para enfraquecer as ligações dos grãos, a fratura intergranular é o modo de fratura mais comum.[4]​.

A fratura em materiais é estudada e quantificada de diversas maneiras. A fratura é amplamente determinada pela tenacidade à fratura (), portanto, testes de fratura são frequentemente realizados para determinar isso. As duas técnicas mais comumente utilizadas para determinar a tenacidade à fratura são o teste de flexão de três pontos e o teste de tração compacta.

Ao realizar testes de tensão compacta e flexão de três pontos, a tenacidade à fratura pode ser determinada através da seguinte equação:

Onde:.

Para atingir com precisão, o valor de deve ser medido com precisão. Isso é feito pegando a peça de teste com seu entalhe de comprimento fabricado e afiando esse entalhe para melhor emular uma ponta de trinca encontrada em materiais do mundo real.[10] A protensão cíclica da amostra pode induzir uma trinca por fadiga que se estende da trinca desde o comprimento do entalhe fabricado até . Este valor é usado nas equações anteriores para determinar .[11]​.

Após este teste, a amostra pode ser reorientada de modo que um carregamento maior de uma carga (F) estenda esta fissura e, portanto, uma curva carga versus deflexão da amostra possa ser obtida. Com esta curva pode-se obter a inclinação da porção linear, que é o inverso da complacência do material. Isso é usado para derivar f (c/a) conforme definido anteriormente na equação. Com o conhecimento de todas essas variáveis, ela pode então ser calculada.

Cerâmicas e vidros inorgânicos apresentam comportamento de fratura diferente daquele dos materiais metálicos. A cerâmica tem alta resistência e funciona bem em altas temperaturas porque a resistência do material é independente da temperatura. As cerâmicas têm baixa tenacidade, conforme determinado por testes sob carga de tração; A cerâmica geralmente tem valores que são aproximadamente 5% daqueles encontrados nos metais.[11] No entanto, as cerâmicas são geralmente carregadas por compressão no uso diário, de modo que a resistência à compressão é frequentemente chamada de resistência; Esta resistência pode muitas vezes exceder a da maioria dos metais. No entanto, as cerâmicas são frágeis e, portanto, a maior parte do trabalho realizado gira em torno da prevenção de fraturas frágeis. Devido à forma como a cerâmica é fabricada e processada, muitas vezes existem defeitos pré-existentes no material que introduzem um alto grau de variabilidade na fratura frágil do Modo I. Portanto, há uma natureza probabilística a considerar no projeto cerâmico. A distribuição Weibull prevê a probabilidade de sobrevivência de uma fração de amostras com um certo volume que sobrevive a uma tensão sigma de tração e é frequentemente usada para avaliar melhor o sucesso de uma cerâmica em evitar fraturas.

As falhas causadas por fraturas frágeis não foram limitadas a nenhuma categoria específica de estrutura de engenharia.[3] Embora a fratura frágil seja menos comum do que outros tipos de falhas, os impactos na vida e na propriedade podem ser mais severos. As seguintes falhas históricas notáveis ​​foram atribuídas a fraturas frágeis:

Fratura por fragilidade

Nas fraturas frágeis, nenhuma deformação plástica aparente ocorre antes da fratura. A fratura frágil geralmente envolve pouca absorção de energia e ocorre em altas velocidades, até 2.133,6 m/s (7.000 pés/s) no aço.[3]​ Na maioria dos casos, a fratura frágil continuará mesmo quando o carregamento for interrompido.[4]​.

Em materiais cristalinos frágeis, a fratura pode ocorrer por clivagem "Esfoliação (mineralogia)") como resultado da tensão de tração agindo normal aos planos cristalográficos com baixa ligação (planos de clivagem). Em sólidos amorfos, por outro lado, a falta de uma estrutura cristalina resulta em uma fratura concoidal, com trincas ocorrendo normalmente de acordo com a tensão aplicada.

A resistência teórica de um material cristalino é (aproximadamente).

onde:.

Por outro lado, uma fissura introduz uma concentração de tensões modelada por.

onde:.

Unindo essas duas equações, obtemos.

Olhando de perto, podemos ver fissuras acentuadas (pequenas) e defeitos grandes (grandes), ambos diminuindo a resistência à fratura do material.

Os cientistas descobriram a fratura supersônica, o fenômeno da propagação de fissuras mais rápida que a velocidade do som em um material.[5] Este fenômeno também foi verificado por um experimento de fratura em materiais semelhantes à borracha.

A sequência básica em uma fratura frágil típica é: a introdução de uma falha antes ou depois do material ser colocado em serviço, a propagação lenta e estável da trinca sob carga recorrente e a falha repentina e rápida quando a trinca atinge o comprimento crítico da trinca de acordo com as condições definidas pela mecânica da fratura. A fratura frágil pode ser evitada controlando três fatores principais: a tenacidade à fratura do material (K), o nível de tensão nominal (σ) e o tamanho do defeito introduzido (a).[3] Tensões residuais, temperatura, taxa de carregamento e concentrações de tensão também contribuem para a fratura frágil, influenciando os três fatores principais.

Sob certas condições, os materiais dúcteis podem apresentar comportamento frágil. Carregamento rápido, baixa temperatura e condições de tensão triaxial podem fazer com que os materiais dúcteis falhem sem deformação prévia.[3]​.

Fratura dúctil

Na fratura dúctil, extensa deformação plástica (pescoço&action=edit&redlink=1 "Pescoço (engenharia) (ainda não redigido)") ocorre antes da fratura. Os termos ruptura ou ruptura dúctil descrevem a falha final") de materiais dúcteis carregados sob tensão. A alta plasticidade faz com que a trinca se propague lentamente devido à absorção de uma grande quantidade de energia antes da fratura.[6][7]​.

Como a ruptura dúctil envolve um alto grau de deformação plástica, o comportamento de fratura de uma trinca em propagação, conforme modelado acima, muda fundamentalmente. Parte da energia das concentrações de tensão nas pontas da trinca é dissipada pela deformação plástica antes da trinca à medida que ela se propaga.

As etapas básicas na fratura dúctil são a formação de vazios, a fusão de vazios (também conhecida como formação de trincas), a propagação de trincas e a falha, que geralmente resultam em uma superfície de falha em forma de copo e cone. Os vazios geralmente coalescem em torno de precipitados, fases secundárias, inclusões e nos limites dos grãos do material. A fratura dúctil é tipicamente transgranular") e a deformação devido ao deslizamento de luxação "luxação (defeito cristalino)") podem causar o lábio de cisalhamento característico da fratura de copo e cone.[8]​.

Existem três convenções padrão para definir deslocamentos relativos em materiais elásticos com a finalidade de analisar a propagação de trincas[3]​ conforme proposto por Irwin").[9]​ Além disso, a fratura pode envolver tensão uniforme ou uma combinação desses modos.[4]​.

A forma como uma fissura se propaga através de um material dá uma ideia do modo de fratura. Na fratura dúctil, a trinca se move lentamente e é acompanhada por uma grande deformação plástica ao redor da ponta da trinca. Uma trinca dúctil geralmente não se propagará a menos que uma tensão mais alta seja aplicada e geralmente para de se propagar quando a carga é removida.[4]​ Em um material dúctil, uma trinca pode progredir para uma seção do material onde as tensões são ligeiramente mais baixas e parar devido ao efeito de embotamento das deformações plásticas na ponta da trinca. Por outro lado, na fratura frágil, as fissuras estendem-se muito rapidamente, com pouca ou nenhuma deformação plástica. As rachaduras que se propagam em um material frágil continuarão a crescer depois de iniciadas.

A propagação de fissuras também é classificada pelas características da fissura em nível microscópico. Uma fissura que passa pelos grãos dentro do material está sofrendo uma fratura transgranular. Uma trinca que se propaga ao longo dos limites dos grãos é chamada de fratura intergranular. Normalmente, as ligações entre os grãos do material são mais fortes à temperatura ambiente do que o próprio material, portanto é mais provável que ocorra fratura transgranular. Quando as temperaturas aumentam o suficiente para enfraquecer as ligações dos grãos, a fratura intergranular é o modo de fratura mais comum.[4]​.

A fratura em materiais é estudada e quantificada de diversas maneiras. A fratura é amplamente determinada pela tenacidade à fratura (), portanto, testes de fratura são frequentemente realizados para determinar isso. As duas técnicas mais comumente utilizadas para determinar a tenacidade à fratura são o teste de flexão de três pontos e o teste de tração compacta.

Ao realizar testes de tensão compacta e flexão de três pontos, a tenacidade à fratura pode ser determinada através da seguinte equação:

Onde:.

Para atingir com precisão, o valor de deve ser medido com precisão. Isso é feito pegando a peça de teste com seu entalhe de comprimento fabricado e afiando esse entalhe para melhor emular uma ponta de trinca encontrada em materiais do mundo real.[10] A protensão cíclica da amostra pode induzir uma trinca por fadiga que se estende da trinca desde o comprimento do entalhe fabricado até . Este valor é usado nas equações anteriores para determinar .[11]​.

Após este teste, a amostra pode ser reorientada de modo que um carregamento maior de uma carga (F) estenda esta fissura e, portanto, uma curva carga versus deflexão da amostra possa ser obtida. Com esta curva pode-se obter a inclinação da porção linear, que é o inverso da complacência do material. Isso é usado para derivar f (c/a) conforme definido anteriormente na equação. Com o conhecimento de todas essas variáveis, ela pode então ser calculada.

Cerâmicas e vidros inorgânicos apresentam comportamento de fratura diferente daquele dos materiais metálicos. A cerâmica tem alta resistência e funciona bem em altas temperaturas porque a resistência do material é independente da temperatura. As cerâmicas têm baixa tenacidade, conforme determinado por testes sob carga de tração; A cerâmica geralmente tem valores que são aproximadamente 5% daqueles encontrados nos metais.[11] No entanto, as cerâmicas são geralmente carregadas por compressão no uso diário, de modo que a resistência à compressão é frequentemente chamada de resistência; Esta resistência pode muitas vezes exceder a da maioria dos metais. No entanto, as cerâmicas são frágeis e, portanto, a maior parte do trabalho realizado gira em torno da prevenção de fraturas frágeis. Devido à forma como a cerâmica é fabricada e processada, muitas vezes existem defeitos pré-existentes no material que introduzem um alto grau de variabilidade na fratura frágil do Modo I. Portanto, há uma natureza probabilística a considerar no projeto cerâmico. A distribuição Weibull prevê a probabilidade de sobrevivência de uma fração de amostras com um certo volume que sobrevive a uma tensão sigma de tração e é frequentemente usada para avaliar melhor o sucesso de uma cerâmica em evitar fraturas.

As falhas causadas por fraturas frágeis não foram limitadas a nenhuma categoria específica de estrutura de engenharia.[3] Embora a fratura frágil seja menos comum do que outros tipos de falhas, os impactos na vida e na propriedade podem ser mais severos. As seguintes falhas históricas notáveis ​​foram atribuídas a fraturas frágeis: