Aula Sollero - Albuquerque Fratura Fadiga e k1c

5/25/2018 Aula Sollero - Albuquerque Fratura Fadiga e k1c

1/101

u Estuda o comportamento dos materiais na

Tenacidade Fratura (KIC): Resistncia do

mater a propagao a tr nca. n m i r n i fr r m ri l

maior a capacidade do material trincado

propagao da trinca.


2/101

Conceitos fundamentais

e n es os c on r os:

Trinca: Entalhe fenda

Fratura: Quebra, ruptura.


3/101

u x Resistncia dos materiais:

,geomtricas sob carregamento mecnico

ropr e a es e res s nc a o ma er a : m e eresistncia trao (Sut) e limite de escoamento (Sy).

Mecnica da Fratura

Cor os com trincas sob carre amento mecnico Propriedades de resistncia do material: Tenacidade

IC .


4/101

Titanic naufra ou em 12/04/1912


5/101


6/101

Navios Liberty (1943) 4694 navios: 1289 apresentaram falhas

navegar.


7/101

snom

nom tK=

a

s +=

ct

=t de tenso

snom


8/101

c/a = 0: Tr nca com pontaaguda

valores infinitos prximo

ponta a tr nca


9/101


10/101

Vlida quando a regio de escoamento prximaponta a tr nca pequena;

m ri l m m r m n lin r l i

regio de escoamento no considerada);


11/101


12/101

Carregamento em modoI


13/101

Tenses prximas ponta da trinca em modoI

3 KI ...2222

r

x

3 KI ...2222

=ry

...

3

sinsincos +=

KIxy r

I: ator e ntens a e e tens o em mo o


14/101

aK =

: Fator eomtrico

a : Comprimento caracterstico da trinca;KI: Mede a severidade da trinca.


15/101

Fator de intensidade de tenso:

Define a amplitude do campo de tenses

Aumenta com o aumento da tenso nominal;

trinca;

= nom


16/101

Tenacidade Fratura (K ):

Valor crtico de KI; ,fratura (pode haver propagao estvel da

Quando o valor de KIatinge KICacontece a

ratura o mater a ;

KIC obtido experimentalmente (ensaios defratura) e uma propriedade intrnseca domaterial


17/101

Cargas cclicas so responsveis pela maiorparte das falhas em Eng. Mecnica Falhas odem ocorrer em nveis de tenso

muito abaixo de Sy na presena de cargas


18/101

Histrico da falha por fadiga

Incio dos estudos: Sculo XIX Poncelet (1839): Surge o termo Fadiga

cclica

Diagrama SN mater a cont nua orte e ct , como o

material original.


19/101


20/101

Primeiro avio a jato comercial: Comet

2 acidentes fatais em 1954 (fadiga dafuselagem).


21/101

Falha catastrfica for fadiga devida propagao detrinca

na es ru ura o ome


22/101

Aloha Airline (1988): Boeing 737 perdeu 1/3 de sua

ca ne urante o v o, a p s.


23/101

Ensaio de fadiga na Boeing.


24/101

ecan smos e a a por a ga

A fadiga sempre comea com uma trinca- A trinca pode ser pr-existente, gerada durante afabricao, ou pode ser nucleada devido a

deformao cclica em torno dos pontos deconcentrao de tenso.

- Concentradores de tenso em escalamicroscpica: partculas, incluses, entalhes, etc.


25/101


26/101

Est g o do processo de ad ga

- Nucleao da trinca;

- Propagao da trinca;

- Fratura final.


27/101

Est g o de nucleao da tr nca:

- Ocorrem escoamentos localizados nos

nominais muito abaixo do limite de escoamento.

- Criam-se as bandas de escorregamento (regies den ensa e orma o ev o ao c sa amen o .

- As bandas coalescem e formam micro-trincas.


28/101

Est g o de propagao da tr nca:

- A trinca aguda j encontra-se formada;

- O movimento de abrir e fechar das trincas fazemcom que a tr nca se propague um pouco a ca aciclo;

- necessrio tenso normal de tra o +carregamento cclico.


29/101

- propagao a tr nca a or em e-

a-

mm por ciclo.

- Cada ciclo marcado na su erfcie: Estrias.

mp u e a a


30/101

Fratura final - ltimo estgio:

- =

Marcas de praia

(marcas macroscpicas)


31/101


32/101


33/101


34/101


35/101

a ga em a xo c c o

- A falha ocorre aps um pequeno nmero de

ciclos < 1000 ciclos ara a maioria dos metais .As peas so submetidas a tenses cclicas derande am litudes suficientes ara causar

escoamentos localizados.

- Exemplos: Algumas peas dos trens de pouso de

.


36/101

a ga em a to c c o

- A falha ocorre aps um grande nmero de ciclos

> 1000 ciclos ara a maioria dos metais . Aspeas so submetidas a tenses cclicas de

e uenas am litudes. A arentemente no ocorre

escoamentos localizados.

- Exemplos: Grande parte das peas do trem de

.


37/101

Modelos de falha por fadiga

- Abordagem tenso x vida;

-

- Abordagem de mecnica da fratura.


38/101

Abordagem tenso x vida

- .

- es st nc a a ga v a n ta ou m te efadiga (vida infinita).

- Busca manter os nveis de tenses nos entalhesto baixos de forma que no ocorra a nucleao da

trinca.

-


39/101

Abordagem deformao x vida

-e incio de crescimento da trinca;

- Tem grande aplicao em fadiga de baixo ciclo,mas tam m po e ser usa a em a ga e a tociclo;

- Dados ex erimentais no dis onveis ara al unsmateriais.


40/101

Abordagem de mecnica da fratura linear elstica

-

- rev a v a remanescente a pea;

- Usada em conjunto com tcnicas no destrutivas dedetec o de trincas

- ,projetos e inspeo.


41/101

Cargas que causam fadiga

-fadiga;

- A forma da funo carga x tempo e a freqncia docarregamento n o tem e e tos s gn cat vos na a a porfadiga, desde que no haja corroso e que a frequncian o se a a a o su c en e para provocar o aumen oexcessivo da temperatura devido ao atrito interno doma er a s erese .

- Fatores que influenciam na falha por fadiga: amplitudedo carre amento, valor mdio da car a e nmero de

Cargas at antes em mq inas rotati as


42/101

Cargas atuantes em mquinas rotativas

-pouca variao na freqncia

e am litude das car as.


43/101

Parmetros importante na falha por fadiga

- = m nmax

- omponente a terna a:2

=a

- Componente mdia: 2minmax

=m

- Razo de tenso: min

=R

- Razo de amplitude:

max

aA =

m

Cargas atuantes em equipamentos ou mquinas


44/101

Cargas atuantes em equipamentos ou mquinas

- ,totalmente aleatrias.

Ensaios de fadiga:


45/101

Ensaios de fadiga:

- Wohler (1870): viga cantilever (engastada-livre)rotativa: primeiro teste de fadiga.

- Moore: viga simplesmente apoiada em flexo pura:.

- Ensa os com carregamentos ax a s: esenvo veu-se como aprimoramento das mquinas de teste servo-hidrulica.Perm te ac mente mu ar a componente m a oucomponente alternada do ensaio.

Ensaio de fadiga proposto por Moore


46/101

Ensaio de fadiga proposto por Moore

Acabamento do corpo de prova: polido espelhado;

Rotao da mquina: 1725 rpm; Durao do teste: 1 dia e meio para 106 ciclos e 40 diasara 108 ciclos

O teste realizado em vrios corpos de prova.

Resultados dos ensaios de fadiga para aos com


47/101

Resultados dos ensaios de fadiga para aos com

ran e spers o os resu a os; Cotovelo da curva aproximadamente a 106 ciclos;

Limite de fadiga do corpo de prova: Se


48/101

Limite de fadiga do corpo de prova: Se

Definio: Tenso do cotovelo da curva, ou seja,ens o a a xo a qua o ma er a n o a a por

fadiga;

Para aos:

Se = 0,5 Sut se Sut< 1400 MPa

e ut

Relao entre limite de resistncia trao e limite


49/101

Relao entre limite de resistncia trao e limite

Limite de resistncia fadiga do corpo de prova: S


50/101

Limite de resistncia fadiga do corpo de prova: S f

nmero de ciclos, no caso de aos, menor que 106

. usado quando se deseja dimensionar uma pea

.


51/101

Materiais que apresentam limite de fadiga: Aos

carbonos e ligas de baixa resistncia mecnica,alguns aos inoxidveis, ferros fundidos, ligas demolibidnio, ligas de titnio e alguns polmeros.

Materiais ue no a resentam limite de fadi a:Alumnio, magnsio, cobre, ligas de nquel, alguns

a os inoxidveis a os carbonos e a os li as de altaresistncia.

Falha por fadiga em alumnio


52/101

p g

o apresenta m te e a ga


53/101

Limite de resistncia fadiga para alumnio: Sf

Sf@5 108 = 0,4 Sut se Sut< 330 MPa

Sf@5 108 = 130 MPa se Sut> 330 MPa

Relao entre limite de resistncia fadiga e limite


54/101

g

Teste de fadiga axial


55/101

Teste de fadiga axial

-hidrulicas;

componentes mdia e alternadas;

o a a se o transversa a pea encontra-se sob a mesma tenso;

Limite de fadiga entre 10 e 30 % menor queo obtido usando flexo rotativa devido amaior rea sob tenso mxima e pequenosdesalinhamentos na compresso que induzflexo e compresso combinadas.

Comparao entre os diagrama SNobtidos por teste


56/101Diagrama SNobtidos por teste axial


57/101

80 % de Sut

40 % de Sut

Teste de fadiga torcional


58/101

este de ad ga to c o a

Corpos de prova cilndricos em toro pura;

resultados para carregamentos biaxiais.

Elipse inclinada

Influncia da tenso mdia na vida em fadiga


59/101

Tenso mdia de trao reduz a vida em fadiga; Tenso mdia compressiva aumenta a vida.

Efeito de tenses mdias maiores que zero na vida em fadiga


60/101

Linha de Goodman

Diagrama SN para diferentes valores de tenso mdia


61/101Abordagem de fadiga pela mecnica da fratura


62/101

linear elstica

minmax KKK =

< =m n max

aa minmax =

( )minmax = aK

o

o

turaLei de Paris


63/101

nKAda = ucl

ea

opag

a

F

r

P

a = compr men o a r ncaN = nmero de ciclos

=

intensidade para que ocorra a propagao da trinca.

th


64/101

A vida de uma pea que falha por fadiganormalmente se divide da se uinte maneira:

s g o nuc ea o : a a v a Estgio II (propagao, onde vale a lei de

Paris): 5 a 8 % da vida Est io III aumento brusco da taxa de

propagao e fratura final): 1 a 2 % da vida.

Parmetros da lei de Paris ara a os (R = 0)


65/101

m/ciclo in/ciclo

(MPa m )n ( s n )n

Uma vez detectada a trinca, pode-se calcular a vidaremanescente da pea integrando-se a lei de Paris.

Influncia da razo de tenso R na taxa de propagao


66/101

max=

A razo de tensoR temforte influncia sobre osestgios I e III da fadiga

sobre o estgio II.

As propriedades de fadiga devem ser obtidast


67/101

segu n o as segu ntes or ens e pre er nc a:

s que a pea ou estrutura estar sujeita;

Ensa os em corpos e prova a r ca os com omesmo material da pea, com o mesmoaca amento super c a e que so reu o mesmotratamento trmico ou mecnico; Resultados de ensaios disponveis na literatura

Estimativas a partir de resultados de ensaiosmonot n cos, como os e trao.

Caractersitcas do ensaio de


68/101

Moore (viga sob flexo rotativa)

menor seo igual a 8 mm, acabamento

Carregamento de flexo rotativa; sperso os resu ta os em torno e . Temperatura ambiente;

Fatores de correo para as


69/101

propriedades de fadiga

v(S'

eou S'

f)

Pea(S ou S)

correo

= 'e

carga tam sup conf temp e

Sf

= Ccarga

Ctam

Csup

Cconf

Ctemp

S'f

carga,

tam,

sup,

conf

temp

correo

1

Fator de correo da carga (Ccarga

)


70/101

Carga do ensaio de Moore = flexo rotativa simtricareg o so ens o m x ma = per me ro ex erno a se o .

Carregamento axial cclico => toda a seo transversal solicitada sob tenso mxima (maior a chance de nuclear

=

Ccarga

= 0,7 para carregamento axial cclico

=carga ,

Fator de correo do tamanho da seo (Ctam

)


71/101

Maiores dimenses => Maior probabilidade de ocorrncia.

Vida em fadiga cai com o aumento das dimenses da pea.

Fator tamanho para peas cilndricas sob flexo rotativa:

8 mm (0,3 n) =>tam

= 1

8 mm < d< 250 mm => Ctam = 0,869 d -0,097(dem mm)< < => = -0,097,tam

,d250 mm (10 in) => C

tam= 0,6

Evidncias experimentais mostram que o tamanho da peatem pouca influncia na vida em fadiga quando se tem

. , ,tam

1, independente do tamanho da pea.

Peas que no encontram-se sob flexo rotativa ou nopossuem se o c n r ca = ca cu a-se um me ro


72/101

possuem se o c n r ca ca cu a se um me ro

equivalente deq antes de se usar as equaes para Ctam.

deq

= dimetro de um cilindro sob flexo rotativa cuja rea

-mxima (A95

) igual a rea que se encontra sob 95% datenso mxima da pea.

95 pea = 95 c n ro so ex o ro a va

A95

para diferentes sees


73/101

Fator de correo do acabamento superifical (Csup

)


74/101

Maiores rugosidade superficial => Maior concentrao deens es ev o a rugos a e = enor a v a em a ga.

Acabamento do corpo de prova = polido espelhado =menor rugosidade possvel.

Maior resistncia mecnica => Maior o efeito daconcentrao de tenso.

Csup

para diferentes acabamentos


75/101

Fator de correo de confiabilidade (Cconf

)


76/101

Valores da literatura = mdia de ensaios experimentaise con a a e

Para confiabilidades maiores, deve-se usar o Cconf

que levaem conta o desvio adro em torno de 8 % caractersticosdos ensaios de fadiga

Confiabilidade 50% 90% 99% 99,9% 99,99%conf , , , , ,

Fator de correo de temperatura (Ctemp

)


77/101

Altas temperaturas causam uma reduo do limite deescoamen o o ma er a que avorece a nuc ea o a r ncana superfcie e, consequentemente, diminui a vida em

fadi a.

, -

T 450o C (840o F) => C = 1450o C < T550o C => C

temp= 1-0,0058(T-450)

840o F < T1020o F => Ctemp

= 1-0,0032(T-840)

Efeito do revestimento na vida em fadiga


78/101

O efeito do revestimento pode ser minimizado atravs do jateamento


79/101

Efeito do ambiente na vida em fadiga


80/101

Efeito da umidade na vida em fadiga de aos


81/101

A umidade tem pouco efeito na vida em fadiga do ao cromo.

Entalhes e concentradores de tenses


82/101

Entalhes: rasgo para anis elsticos e chavetas,, ,

dimenses da seo transversal da pea, ou

ual uer outra erturba o de uma su erfciesuave da pea.

Entalhes aumentam as tenses localmente(concentram tenses).

Sob cargas estticas (ou quase-estticas), a


83/101

conta se o material for frgil. Materiais dcteis,escoam locamente, causando alvio de tensesque e m nam os e e tos o enta e.

Sob carregamento cclicos, os efeitos dosentalhes devem considerados mesmo com

.

snom nom tK=


84/101

a

=

ct

Kt= ator e concentrao e tensogeomtrico (terico), calculado sem

s considerar o escoamento do material.

snom

Fator de concentra o de tenso em fadi a esensibilidade ao entalhe


85/101

Kf

= Fator de concentrao de tenso emfadiga

K = Kt=> Todo o efeito de concentrao de

sensvel ao entalhe).

Kf

= 1 => O efeito de concentrao de tenso

f

t

Kf

= 1+q(Kt-1)

q = sens a e ao enta e


86/101

q = 1 => Kt= K

f

q = =>t=

Uma vez que Ktcresce com a diminuio doraio do entalhe, tendendo a infinito quando o

,

pequenos raios, como um risco superficial porexem lo, ornecem um valor de K bastanteelevado. Claramente o material poucosensvel a este tipo de entalhe pois estes riscos,

fabricao ou operao, no tem influnciaex ressiva nas ro riedades de adi a da e a.

A sensibilidade ao entalhe aumenta com aresistncia mecnica o materia e com o

d lh


87/101

raio do entalhe.

Materiais de maior resistncia mecnica tm

mais sensveis ao entalhe.

Entalhes de pequenos raios tm seus efeitosparcialmente considerados nos ensaios

, z , ,material possui descontinuidades que atuamcomo entalhes de e uenos raios.


88/101

Sensibilidade ao entalhe Constante de Neuberfuno de S

q=

a

r


89/101

Constantes de

eu er para os

Fatores de concentrao de tenso


90/101


91/101


92/101


93/101


94/101

Induo de tenso residual em molas planas


95/101

A fi ura mostra uma mola cantilever formada or um

arame torcido s jeito a ma fora ari el O material


96/101

arame torcido sujeito a uma fora varivel. O materialdo arame um a o com limite de resistncia a tra o de1410 MPa e limite de escoamento de 1200 MPa. No

h concentra o de tenso devido aos detalhes deforma. Uma inspeo visual da mola indica que oacabamento su erficial corres onde a rximo doacabamento laminado a quente. Baseado numaconfiabilidade de 50 % e assumindo ue a se o crticaocorre no final do comprimento til da mola, encontre onmero de ciclos de car a a licada ue ossivelmentecausar falha.

F 140 N


97/101

Fmx = 140 NFmn = 70 N

9.D

Dimenses em milmetros


98/101


99/101


100/101


101/101

Documents

Aula Sollero - Albuquerque Fratura Fadiga e k1c