O Fenômeno da Fadiga

O Fenômeno da Fadiga
Redução gradual da capacidade de carga do componente, pela
ruptura lenta do material, consequência do avanço quase infinitesimal
das fissuras (deformações plásticas) formadas no interior
● Crescimento em cada flutuação do estado de tensões →
Deterioração progressiva → Trinca pequena → Trinca de tamanho
crítico → Ruptura final (brusca)
● Causado por carregamento cíclico mecânico ou termomecânico
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O Fenômeno da Fadiga
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Causa de falha mais comum (50%-90%)
●
Normalmente falha súbita
O Fenômeno da Fadiga
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Maioria das cargas variam no tempo
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Normalmente falha súbita
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Gama ampla de ciclos (10-10^8 ciclos)
O Fenômeno da Fadiga
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Exemplo: reservatório pressurizado. Drenagem
a cada 2 meses, vida útil de 10-20 anos → 60120 ciclos
O Fenômeno da Fadiga
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Exemplo: Mola de suspensao de automóvel.
Carga máxima com 50 ciclos por dia, vida útil
de 10 anos → 2x10^5 ciclos
O Fenômeno da Fadiga
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Exemplo: Motor a reação. Peso sobre o eixo.
Pás das turbinas (força centrífuga e gradiente
térmico a cada liga-desliga) 4 ciclos diários por
15 anos (250 dias) → 15000 ciclos
O Fenômeno da Fadiga
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Exemplo: Mola de válvula de um motor a
combustão interna de 4 tempos com rotação
média de 2000rpm, válvula acionada 1000
vezes por minuto, para uma vida de 200000km
→ 2,4x10^8 ciclos
O Fenômeno da Fadiga
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Nucleação da trinca
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em pontos com elevado nível de tesões
Máquinas bem projetadas (menores que a tensão
de escoamento), porém:
–
●
Descontinuidades geométricas, metalúrgicas, sobrecarga
na operação
Trinca pré-existente:
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Defeitos na fabricação
●
Mal uso do equipamento
O Fenômeno da Fadiga
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Nucleação da trinca
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Tensão cizalhante → movimento de discordâncias
→ Deslocamento relativo entre dois planos
atômicos → Deformação plástica
Deformação plástica é preponderante na direção
de máximo cizalhamento
O Fenômeno da Fadiga
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Estágio I
Reentrâncias
superficiais:
extrusões
Concentradores de
tensão →
microtrincas
O Fenômeno da Fadiga
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Estágio II
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Trinca aumenta
●
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Propagação
perpendicular às
tensões
30% da vida útil
O Fenômeno da Fadiga
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Estágio II
Fissura cresce em cada
ciclo
Superfície marcada pelo
avanço da trinca
(sucessivas posições)
Propagação perpendicular
às tensões
30% da vida útil
O Fenômeno da Fadiga
Nf = 0
Nf = 1000 Nf = 10,000 Nf = 1,000,000
50
stress
40
30
20
10
0
0
0.01
0.02
0.03
strain
0.04
0.05
0.06
O Fenômeno da Fadiga
●
CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO CÍCLICA
●
Materiais reais apresentam def. Plástica (zona elástica)
Rearranjo da
estrutura →
propiedades
mecânicas
●Teste: valores
fixos de def.
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O Fenômeno da Fadiga
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CURVA TENSÃODEFORMAÇÃO
CÍCLICA
Materiais encruados
amolecem
Materiais recozidos
encruam
Em 10%-20% da
vida útil
O Fenômeno da Fadiga
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CURVA TENSÃODEFORMAÇÃO
CÍCLICA
Materiais encruados
amolecem
Materiais recozidos
encruam
Em 10%-20% da
vida útil
O Fenômeno da Fadiga
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CURVA
TENSÃODEFORMAÇÃO
CÍCLICA
O Fenômeno da Fadiga
●
CURVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO CÍCLICA
Resistência à Fadiga dos Materiais
●
Ensaios de fadiga
Resistência à Fadiga dos Materiais
●
Ensaios de fadiga: tensão alternante e tensão média
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Ensaios de fadiga: resultado em forma gráfica, escala
logarítmica, baixa confiabilidade (dispersão)
Resistência à Fadiga dos Materiais
●
Outros Ensaios de fadiga: tração-compressão,
torção cíclica ou flexão plana
●
Corpos pré-fissurados: propagação
●
Concentradores de tensão
Resistência à Fadiga dos Materiais
●
Outros Ensaios de fadiga: cargas não senoidais,
reproduzir cargas reais
Resistência à Fadiga dos Materiais
●
Ensaios de fadiga: corpo de prova
●
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Controle de qualidade alto – Normas
Muitas variáveis: orientação do proc. De fabr., acabamento
superficial, dimensões, forma transversal, colinearidade dos eixos
(corpo e carga), meio ambiente etc.
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Resultados experimentais: Curva de Woehler (Tensão - Vida)
● Menor a Tensão cíclica → Maior a vida
● Ligas Ferrosas e de titânio: VIDA INFINITA → Tensão limite de fadiga sigma_f
● Ligas de aluminio e Magnésio: Tensão de resistência à fadiga sigma_N para vida N
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Resultados experimentais: Curva de Woehler (Tensão –
Vida) – forma adimensional
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Estimativa da Curva de Woehler (Tensão – Vida) –
sigma_F=limite de fadiga para Flexão rotativa
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Estimativa da Curva de Woehler (Tensão – Vida) –
85%sigma_F=limite de fadiga para tração-compressão
57,7%sigma_F=limite de fadiga para torção alternante
Resistência à Fadiga dos Materiais
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Estimativa da Curva de Woehler (Tensão
– Vida)
Resistência à Fadiga dos Materiais
Resistência à Fadiga dos Materiais
Resistência à Fadiga dos Materiais
Resistência à Fadiga dos Materiais
Resistência à Fadiga dos Materiais