Fluência

UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
FALHA
CMA – CIÊNCIA DOS MATERIAIS
1º Semestre de 2017
Prof. Júlio César Giubilei Milan
FALHA - FADIGA
FADIGA
É uma forma de falha que ocorre em estruturas
que estão sujeitas a tensões dinâmicas e
oscilantes.
• Falha a um nível de tensão inferior ao limite de
resistência a tração ou ao limite de escoamento
para carga estática.
• Ocorre normalmente após longo período de
tensão repetitiva ou ciclo de deformação.
• Maior causa individual de falha em metais ( 90
%).
• Polímeros e cerâmicos também estão sujeitos.
• Ocorre repentinamente e sem avisos.
FALHA - FADIGA
FADIGA
É de natureza frágil, pouco ou nenhuma
deformação plástica.
“o processo ocorre pela iniciação e
propagação de trincas, em geral a superfície
da fratura é perpendicular à direção de uma
tensão de tração aplicada”.
FALHA - FADIGA
A falha por fadiga ocorre normalmente em três
estágios:
• Uma pequena trinca surge na superfície após
um longo período de aplicação de carga;
• Descontinuidades superficiais como entalhes,
poros, cantos vivos (projeto), contornos de
grãos, regiões com elevada densidade de
discordância;
• Trinca se propaga um pouco a cada ciclo de
carregamento;
• Fratura súbita do material, quando a seção é
muito reduzida para suportar a carga aplicada.
Para que a fadiga ocorra, pelo menos parte do ciclo
deve ser de tração
FALHA - FADIGA
Fácil identificação
• Superfície junto a origem tende a ser lisa;
• Torna-se mais irregular com o aumento do
tamanho da trinca;
• Fibrosa na parte final de propagação da
trinca.
• Superfície possui “marcas de praia” e
estrias
• Marcas de praia se formam quando a carga
varia de modo irregular ou quando é
intermitente.
• estrias são bem menores (microscópio) e
mostram a posição da ponta da trinca após
cada ciclo.
FALHA - FADIGA
Representação de uma superfície de fratura por fadiga em um eixo de aço,
mostrando a região de início, a região de propagação com marcas de praia e
ruptura final quando o tamanho da trinca ultrapassa um valor crítico para
tensão aplicada.
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under
license.
FALHA - FADIGA
Fig. – Superfície de fratura de um
eixo rotativo de aço que experimentou
falha por fadiga. Os ressaltos de
marcas de praia estão visíveis na foto.
Fig. – Fractografia eletrônica de
transmissão mostrando estrias de fadiga no
alumínio.
FALHA - FADIGA
Fig. – Superfície de falha por
fadiga. Uma trinca se formou na
aresta superior.
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga rotativa
(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
Fig. – Configuração do teste de fadiga rotativa
FALHA - FADIGA
A tensão em qualquer ponto da amostra passa
por um ciclo senoidal completo, da tensão
máxima de tração à tensão máxima de
compressão
A tensão máxima que atua na amostra é dada
por:
32 M M – momento de flexão
 
d
3
d – diâmetro do corpo de prova
O momento de flexão M = F(L/2)
16 FL
FL
  3 5,09 3
d
d
L – distância entre o ponto de
aplicação de carga e o mandril
F – carga
FALHA - FADIGA
O corpo de prova fratura após um número de
ciclos.
A curva S-N mostra os valores de tensão (S) em
função do número de ciclos (N) para ruptura da
amostra.
Fig. – Curvas S-N que relacionam a tensão máxima com o número de ciclos até a
fratura para um aço ferramenta e uma liga de alumínio
FALHA - FADIGA
Ensaio de fadiga → indica o n° de ciclos que uma
peça pode sobreviver com aquele carregamento
antes de fraturar.
Limite de fadiga → tensão abaixo da qual há 50
% de probabilidade de que a falha por fadiga
nunca ocorra (importante no projeto)
Vida em fadiga → indica quanto tempo um
componente resiste sob uma tensão específica
Resistência à fadiga → é a tensão máxima na
qual a fratura por fadiga não ocorrerá para um
dado número de ciclos
FALHA - FADIGA
A curva ‘Tensão-Número de ciclos’ é um gráfico
que relaciona o número de ciclos até a fratura
com a tensão aplicada
Tensão,S (MPa)
Quanto menor a tensão, maior é o número de
ciclos que o material tolera. Ligas ferrosas
normalmente possuem um limite de fadiga.
Para tensões abaixo deste valor o material
não apresenta fadiga.
S1
Ligas não ferrosas não possuem um
limite de fadiga. A fadiga sempre
ocorre mesmo para tensões baixas e
grande número de ciclos.
Vida de fadiga a
uma tensão S1
Número de ciclos até a fratura, N
Limite de fadiga
(35 a 60%) do
limite de
resistência (T.S.)
FALHA - FLUÊNCIA
• Nível médio de tensão
 Quanto maior o valor médio da tensão, menor
é a vida.
• Efeitos de superfície
 A maior parte das trincas que iniciam o
processo de falha se origina na superfície do
material. Isto implica que as condições da
superfície afetam fortemente a vida de
fadiga.
 Projeto da superfície: evitando cantos
vivos.
FALHA - FLUÊNCIA
• Efeitos de superfície
 Tratamento da superfície:
 Eliminar arranhões ou marcas através de
polimento.
 Tratar a superfície para gerar camadas mais duras
(carbonetação / nitretação / deposição de filmes
finos) e que geram tensões compressivas que
compensam parcialmente a tensão externa.
FALHA - FLUÊNCIA
FLUÊNCIA
Componentes em serviço a temperaturas
elevadas → tensões mecânicas estáticas →
Deformação conhecida por Fluência
Def.: deformação permanente e dependente
do tempo de materiais quando estes estão
submetidos a uma carga ou tensão
constante
FALHA - FLUÊNCIA
FLUÊNCIA
• Indesejável;
• Fator de limitação de vida útil;
• Ocorre em todos materiais;
• Metais – importante a temperaturas
superiores a aproximadamente 0,4 Tf;
• Polímeros amorfos (plásticos e borracha) →
especialmente sensíveis à deformação por
fluência.
FALHA - FLUÊNCIA
Esboço do aparelho utilizado para análise de fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Deformação por
fluência, 
Ensaio (ASTM E 139) → corpo de prova a uma carga ou
tensão constante, mantendo a temperatura
constante.
Tempo, t
Fig. – Curva típica de fluência para deformação em função do tempo a um nível constante de
tensão e a temperaturas elevadas constantes. A taxa de fluência mínima /t corresponde à
inclinação do segmento linear na região secundária. O tempo de vida até a ruptura t r
corresponde ao tempo total necessário até a ocorrência da ruptura.
FALHA - FLUÊNCIA
Inicialmente ocorre uma deformação instantânea
Curva de fluência (3 regiões)
• Fluência primária ou transiente
Taxa de fluência continuamente decrescente →
aumento da resistência a fluência ou encruamento
• Fluência secundária ou regime estacionário
Taxa constante linear (longa duração) → equilíbrio
entre encruamento e recuperação
• Fluência terciária
Aceleração na taxa de fluência e fratura → alterações
microestruturais e metalúrgicas. Separação do
contorno de grão, formação de trincas, cavidades e
vazios internos.
FALHA - FLUÊNCIA
• Para metais → corpos de prova iguais ao do
ensaio de tração
• Materiais frágeis → compressão uniaxial
cilindros retos ou paralelepípedos
L/D = 2 – 4
• Parâmetro mais importante → inclinação da
porção secundária /t → Taxa de fluência
em regime estacionário r
FALHA - FLUÊNCIA
• Temperatura e nível de tensão influenciam a
fluência
Fig. – Influência da tensão σ e da temperatura T sobre o comportamento a fluência.
FALHA - FLUÊNCIA
• Abaixo de 0,4 Tf → após a deformação inicial, a
deformação é independente do tempo;
• Aumentando T ou σ
1.Deformação instantânea aumenta;
2.Taxa de fluência no regime estacionário
aumenta;
3.Tempo de vida até a ruptura é diminuído.
FALHA - FLUÊNCIA
• Outra forma de apresentar os resultados
→ log σ x log tempo
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função do tempo de vida até a ruptura (escala
logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de liga a três
temperaturas diferentes.
FALHA - FLUÊNCIA
• Relação empírica
taxa de fluência no regime estacionário
 k1
n
• K1 e n – constantes para o material
FALHA - FLUÊNCIA
n – inclinação da curva
Fig. – Tensão (escala logarítmica) em função da taxa de fluência em regime
estacionário (escala logarítmica) para uma liga carbono níquel com baixo teor de
liga a três temperaturas diferentes.
FALHA - FLUÊNCIA
• Quando a influência da temperatura é incluída
taxa de fluência no regime estacionário
 Qf 
 

n  RT 
 r k 2 e
K2 e Qf – constantes
K2– energia de ativação para fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Fatores que afetam a fluência
• Tamanho de Grão, TG
(grãos menores permitem maior
escorregamento em aplicações
que envolvem a fluência)
• Módulo de elasticidade, E
• Temperatura de fusão, Tf
Quanto maior estes
fatores, maior a
resistência à
fluência
FALHA - FLUÊNCIA
Materiais comumente empregados em
aplicações que envolvem fluência
• Aços inoxidáveis;
• Metais refratários;
• Superligas (Co – Ni)
Formação de solução sólida e fase
dispersa insolúvel na matriz
FALHA - FLUÊNCIA
Técnicas de processamento
Fig. – (a) palheta de turbina policristalina – técnica convencional de fundição
(b) Estrutura de grãos orientada em colunas – solidificação direcional
(c) Palheta monocristalina.