D33 Análise fracgráfica

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A fractografia estuda as marcas deixadas por uma fratura na superfície do material depois de ocorrida, e a partir dessas marcas permite reconstruir tanto o mecanismo de propagação da fissura como as propriedades de fratura do material, sem a necessidade de ter observado a fratura enquanto ela ocorreu.

Na cutícula do exoesqueleto, esta fractura deixa três zonas bem diferenciadas que se sucedem à medida que a fissura avança: perto da origem da fissura surge uma zona espelhada, lisa e brilhante, que corresponde a uma propagação ainda estável; Mais longe da origem, surge uma zona de neblina um pouco mais áspera, na qual a fissura começa a se ramificar em microfissuras secundárias; e ainda mais longe surge uma zona rugosa e irregular, conhecida como zona hackle, em que a altíssima velocidade de avanço da fissura torna a superfície de fratura muito mais irregular do que nas zonas anteriores, correspondendo já a uma propagação completamente instável.

O tamanho desta zona de neblina não é arbitrário: quanto menor a energia necessária para fraturar o material, maior o raio dessa zona de neblina, relação que permite estimar a tenacidade à fratura da cutícula sem a necessidade de preparar antecipadamente um corpo de prova com uma fissura inicial já feita, o que requer o método clássico de Griffith e Irwin, que obtém essa mesma tenacidade a partir do comprimento da fissura no instante da fratura e da tensão de tração atingida nesse mesmo momento.

Além dessa informação sobre o tamanho das zonas, a própria fissura que avança pela cutícula tem um limite físico de velocidade: não pode se propagar mais rápido que aproximadamente noventa e dois por cento da velocidade das ondas Rayleigh do material, mesma velocidade que depende do módulo de cisalhamento e da densidade do material por onde a onda viaja; Assim que a fissura se aproxima desse limite de velocidade, o critério de Yoffe faz com que a fissura pare de avançar em linha reta e se bifurque em dois ramos, cada um deles aberto em um ângulo de aproximadamente sessenta graus em relação à direção original do avanço.

Esta bifurcação da fissura não é um simples efeito secundário: significa que é necessário investir energia adicional na criação das duas novas superfícies de fractura que se abrem em cada ramo, e esta dissipação extra de energia é precisamente o mecanismo chave que os materiais biológicos, incluindo a cutícula do insecto, utilizam para evitar que uma fissura se propague catastroficamente por toda a estrutura.

Na cutícula laminada, que empilha camadas sucessivas com a orientação de suas fibras de quitina giradas de uma folha para outra, as interfaces entre essas folhas funcionam como autênticas armadilhas para a trinca: ao atingir uma dessas interfaces, a trinca é forçada a mudar o plano de propagação para continuar avançando, e essa mudança de plano requer o investimento de energia adicional em cada interface, energia que se soma àquela já necessária simplesmente para criar a superfície de fratura.

Todas essas magnitudes da fratura da cutícula - a tenacidade, a rigidez do material e a energia exigida por cada bifurcação ou mecanismo de prisão - são finalmente resumidas em um único índice de fragilidade, que combina a tenacidade e a rigidez do material em uma única escala de comprimento característica: quanto menor for esse índice de fragilidade, mais frágil é o material, e esse índice permite localizar a cutícula do exoesqueleto, dependendo da região e do tipo de fratura que está sendo experimentada. analisando, em algum ponto específico da transição entre comportamento frágil e dúctil.

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