O ensaio Charpy e o frio que quebra estrutura

Uma carga de uma vez só

O ensaio de tração puxa o corpo de prova devagar. Boa parte das peças, porém, não falha assim: falha num golpe, numa queda, num impacto de empilhadeira, numa onda contra o casco.

O ensaio Charpy reproduz essa condição. Um pêndulo pesado é solto de uma altura conhecida, atinge um corpo de prova entalhado e o rompe. Depois da ruptura ele continua subindo do outro lado — mas não até a altura original, porque parte da energia ficou no corpo de prova. A diferença entre as duas alturas é o resultado do ensaio, lido diretamente em joules no mostrador.

O entalhe em V não é um detalhe de fabricação: ele é parte essencial do ensaio. Sem ele, a trinca poderia nascer em qualquer lugar e o resultado variaria demais. Com ele, a tensão se concentra num ponto conhecido e os valores passam a ser comparáveis entre laboratórios — desde que a geometria seja a mesma, e é por isso que a norma a fixa com rigor.

O que a temperatura faz

Aqui está o achado que tornou esse ensaio obrigatório em tanta especificação. Se o mesmo material é ensaiado em várias temperaturas, a energia absorvida não cai de forma suave: ela despenca numa faixa estreita.

Acima da transição, o aço absorve bastante energia e a fratura é dúctil: a superfície sai fosca e fibrosa, com as bordas inclinadas, e o corpo de prova fica visivelmente deformado. Abaixo, a energia é baixa e a fratura é frágil, por clivagem: a superfície sai plana e brilhante, com aspecto granular, e praticamente não há deformação.

O material é o mesmo. A composição é a mesma. O que mudou foi a temperatura.

E nem todos os metais fazem isso. A transição é característica dos metais de estrutura cúbica de corpo centrado — o que inclui o aço carbono comum. Alumínio, cobre e aço inoxidável austenítico, que são de estrutura cúbica de faces centradas, mantêm a tenacidade mesmo em temperatura criogênica. É por isso que tanque de gás liquefeito costuma ser de inox austenítico ou de aço com níquel, e não de aço carbono comum.

Os navios que partiram ao meio

A prática atual nasceu de um desastre industrial em escala difícil de imaginar hoje.

Durante a Segunda Guerra, os Estados Unidos construíram 2.708 navios do programa Liberty, em ritmo recorde, usando cascos soldados em vez de rebitados. A mudança era necessária — rebitar era lento demais — e trouxe junto um efeito que ninguém tinha previsto: num casco rebitado, uma trinca para ao chegar na borda da chapa; num casco soldado, o navio inteiro é uma peça só, e a trinca pode atravessar tudo.

Os cascos começaram a trincar. O relatório final da comissão de investigação, publicado em 1946, registrou que 970 dos 4.694 navios mercantes soldados do programa de emergência sofreram fraturas, e pelo menos doze partiram completamente em dois. O caso mais citado é o do navio-tanque Schenectady, que em 1943 se partiu ao meio atracado no cais, com mar calmo.

A investigação encontrou a combinação que explicava tudo: o aço das chapas tinha temperatura de transição alta — nas chapas onde as fraturas se iniciaram, a temperatura de transição medida ficou numa faixa de 15 °C a 65 °C, com média em torno de 40 °C. Ou seja, nas águas frias do Atlântico Norte no inverno, aquele aço estava operando bem abaixo da sua transição, no patamar frágil, o tempo todo. Some-se a isso o entalhe natural de um canto de escotilha mal projetado e um cordão de solda com defeito, e a trinca tinha tudo de que precisava.

O que o resultado significa, e o que não significa

O Charpy é um ensaio comparativo, não um valor de projeto. Ele não entrega um parâmetro que entre direto num cálculo estrutural: a energia em joules depende da geometria do entalhe, do tamanho do corpo de prova e da velocidade do golpe.

O que ele faz muito bem é três coisas:

1. Comparar materiais nas mesmas condições

   Dois aços candidatos, mesmo corpo de prova, mesma temperatura. O que absorve mais energia é mais tenaz naquela condição, e a comparação é justa.

2. Encontrar a temperatura de transição

   Ensaiando a várias temperaturas, levanta-se a curva. É isso que responde se o material serve para a menor temperatura de operação prevista.

3. Verificar um critério de aceitação

   Muitas especificações pedem uma energia mínima a uma temperatura dada — por exemplo, um valor mínimo em joules a 0 °C ou a −20 °C. O ensaio existe para dizer se passa ou não passa.

O que pedir no relatório

Norma aplicada	ABNT NBR ISO 148-1 ou ASTM E23, com a versão
Tipo de entalhe	V ou U, e as dimensões do corpo de prova
Temperatura de ensaio	medida, não nominal, e como foi controlada
Energia absorvida	de cada corpo de prova, não só a média
Aparência da fratura	porcentagem de fratura dúctil
Expansão lateral	em milímetros
Orientação do corpo de prova	em relação à direção de laminação da chapa

Esse último item engana muita gente. Uma chapa laminada não tem a mesma tenacidade em todas as direções: corpos de prova retirados transversalmente à laminação costumam absorver bem menos energia que os longitudinais. Dois laboratórios podem entregar valores muito diferentes para a mesma chapa simplesmente por terem cortado os corpos de prova em direções diferentes — e os dois estarem certos.

Também por isso o ensaio se faz em mais de um corpo de prova por condição. A dispersão faz parte do resultado: num material que está perto da zona de transição, dois corpos de prova podem dar valores bastante distintos, e isso é informação sobre o material, não ruído a ser descartado.

Quando a pergunta é quanta carga a peça suporta aplicada devagar, o ensaio é outro — o de tração, assunto de como ler a curva de um ensaio de tração. Quando é quantas vezes ela suporta, é o de fadiga. O Charpy responde a uma terceira pergunta: o que acontece quando a carga chega de uma vez só, e está frio.