DM02 - ABCM

ILHA SOLTEIRA
XII Congresso Nacional de Estudantes de Engenharia Mecânica - 22 a 26 de agosto de 2005 - Ilha Solteira - SP
Paper CRE05-DM02
ANÁLISE EXPERIMENTAL DE VIDA À FADIGA EM COMPONENTES ENTALHADOS
Marcus Vinícius C. Sá 1 e Jorge Luiz A. Ferreira 2
UNB, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica
Campus Universitário Darcy Ribeiro, Asa Norte, CEP 70910-900 , Brasília, D.F.
E-mails para correspondência: [email protected] ou [email protected]
Introdução
Em inúmeras práticas de engenharia, faz-se necessário a utilização de componentes que possuem
descontinuidades geométricas, também chamadas de concentradores de tensões, tais como furos,
entalhes,mudança brusca de seção entre outros.Nas regiões onde há concentradores de tensões, torna-se
difícil a estimativa da falha dada a incapacidade de se prever de forma correta os níveis de tensão e
deformação na raiz de entalhes.Como o uso de modelos que estimam a tensão e a deformação na raiz do
concentrador de tensões como uma função do fator teórico de concentração de tensões e de uma equação
constitutiva para o comportamento do material pode conduzir a previsões errôneas e não conservativas da
vida dos componentes estudados,tem-se optado pela técnica de elementos finitos para descrever o campo de
tensões na região em análise, no intuito de obter estimativas mais confiáveis da vida de fadiga e ,
conseqüentemente, melhores previsões de falha.Tendo em vista a elevada sensibilidade dos resultados em
relação aos parâmetros que regem o comportamento do fenômeno de fadiga e a escassez de resultados
experimentais com uma descrição completa dos procedimentos experimentais, a validação das metodologias
de análise de vida torna-se uma tarefa complexa além de demandar tempo e altos investimentos, tornando-se
cada vez mais importante a realização estudos experimentais que quantifiquem os efeitos da presença de
concentradores de tensão sobre a vida de fadiga. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho está relacionado à
avaliação da vida de fadiga de espécimes entalhados fabricados em aço SAE 1045.
Materiais e Métodos
Os corpos de prova (CP) em análise foram fabricados em aço SAE 1045, apresentando a seguinte
composição química: Carbono(0.43%), Manganês(0.65%), Silício(0.19%), Enxofre(0.017%), Fósforo
(0.011%) e Ferro(98.7%).A presença de tais elementos nessas proporções confere a este aço alta
ductibilidade, densidade da ordem de 7.85 g/cm3 , temperatura de fusão de 1530 ºC além das propriedades
mecânicas nominais apresentadas na tabela abaixo.
Tabela 1 –Propriedades Mecânicas nominais do aço SAE 1045
Módulo de Elasticidade(E)
Tensão de Escoamento
Tensão Limite de Resistência a Tração
Redução de Área
205 GPa
530 MPa
625 MPa
36%
Quanto à geometria, trabalhou-se com dois modelos de corpos de prova cilíndricos: um sem
entalhe(figura 1) e outro com entalhe em “U”(figura 2) apresentando um fator de concentrador de tensões
(Kt) de 1.56 .
Figura 1- corpo de prova sem entalhe
Figura 2 – corpo de prova com entalhe “U”
No intuito de alcançar os objetivos deste trabalho, torna-se conveniente o levantamento das curvas
Tensão-Deformação bem como curvas Tensão-Vida (S-N) tanto do material sem entalhe quanto do material
entalhado.Para a obtenção da curva Tensão-Deformação, realizou-se um ensaio de tração com controle de
deslocamento à taxa de 2 mm/min,até q ocorresse a fratura do corpo de prova.Já para o levantamento da
curva S-N, solicitou-se o material ciclicamente para diversos níveis de tensão, analisando quanto tempo
levava até que a falha por fadiga ocorresse.Ambos os ensaios foram realizados na máquina de teste universal
MTS 810.
Resultados
Nessas perspectivas realizamos o ensaio de tração, obtendo o seguinte gráfico:
Tensão versus Deformação
Tensão (MPa)
1000
800
600
400
200
0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
Deformação (mm/mm)
Gráfico 1 –Tensão versus Deformação
Por meio deste gráfico obteve-se experimentalmente dados importantes a respeito de propriedades
mecânicas como por exemplo tensão limite de resistência a tração ( 920 MPa) , módulo de elasticidade (209
GPA) e tensão de escoamento (780 MPa).
Com base em ensaios de fadiga , pôde-se levantar os gráficos S-N para os dois tipos de CP´s
mencionados.
300
500
250
450
T ensao(M P a)
Tensao(MPa)
400
350
300
250
200
200
150
100
50
150
100
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
Numero de ciclos(log)
Gráfico 2 –Tensão versus Vida(CP sem entalhe)
0
1,E+03
1,E+04
1,E+05
1,E+06
1,E+07
Numero de ciclos(log)
Gráfico 3 – Tensão versus Vida ( CP com entalhe em U)
Conclusões
Este trabalho se torna válido na medida em que os valores obtidos experimentalmente estão muito
próximos de dados encontrados na literatura acerca desta temática.Além disso este trabalho pode ser muito
útil a projetistas dada a ampla utilização deste material na engenharia.
Referências
Bastos,E.M.D.T, “ Efeito de Entalhes na Vida de Fadiga”,Dissertação de Graduação em Eng. Mecânica,
Departamento de Engenharia Mecânica,UnB, Brasília,2004.
Peterson,R.E., “Stress Concentration Design Factors,” Editora John Wiley & Sons,Inc., EUA, 1974.
Filippini,M., “Stress Gradient Calculations at Notches” ,International Journal of Fatigue, Vol.22, pp. 397449,2000.
Dowling, E.N., “Mechanical Behavior of Materials-Engineering methods for deformation, fracture and
fatigue”, 2º Ed. ,p.cm.1998.