Fadiga - Bizuando

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Fadiga
Um metal rompe-se por
submetido a tensões cíclicas.
fadiga
quando
•Fratura é de aparência frágil, mesmo que em
materiais dúcteis, com formação de uma série de
anéis que se desenvolvem do início da trinca
para o interior da amostra
•Ocorre sob carga consideravelmente mais
baixa que o limite de escoamento e tensão
σ <estático
σy
máxima do material sob carregamento
•É estimado ser a causa de 90% das falhas em
estruturas
metálicas
(pontes,
aviões,
componentes de máquinas, etc)
•A tensão causadora da fadiga pode ser axial
(tração ou compressão), fletora ou torcional.
•Ocorre subitamente e de forma catastrófica.
9 Estruturas sujeitas a solicitações dinâmicas
y Pontes e Viadutos
y Pavimentos
y Dormentes
y Plataformas Marítimas
y Torres de grandes alturas
y Estruturas sujeitas a variação de temperatura
y Estruturas sujeitas a vibração
- Vento / Água
- Máquinas
- Explosões
- Movimento rítmico feito por pessoas
9 NB1-99 “deve-se dar especial
atenção aos efeitos deletérios
provocados por essas cargas”
Casos Registrados na Literatura
9 Problema de Vibração Excessiva
y Estádio do Morumbi (SP) 1995/1996
• Realização de ensaios dinâmicos de vibração
forçada
• Levantamento das características dinâmicas da
estrutura
• Simular a excitação induzida pelos torcedores
• Conclusão: Erro de Projeto
• Correção: Aumentar a Rigidez ou o
Amortecimento da Estrutura
Vista parcial da arquibancada com equipamentos para o ensaio
dinâmico
Vibrodina
Localização de Vibrodina e sensores
Informações coletadas dos ensaios
Solução adotada:
Amortecedores
9 Problema de Fadiga
y Emissário submarino de esgotos de Ipanema-RJ
(1991)
y Danos registrados após 17 anos em serviço
y Fraturas e Colapsos devido o efeito combinado de
Fadiga e Corrosão
• Colapso em apoios metálicos da tubulação em CP
• Correção: Novos apoios metálicos com
substituição das estacas metálicas comprometidas
Planta de situação
esquemática
Propagação de fratura e colapso típico dos apoios
Num. de ciclos de ondas durante 1 ano X altura
Solução adotada para recuperação e reforço
σ r = σ máx . − σ mín .
σ m=
σ máx . + σ mín .
σa =
2
σr
2
σ máx .
R=
σ mín .
σ máx = Tensão máxima
σ mín . = Tensão mínima
σ m = Tensão média
σ a = Tensão alternada
σ r = Intervalo de tensões
R = Relação de tensões
carga inicial ~ 2/3 σy
Fatores necessários para causar falha por fadiga:
• Tensão máx. suficientemente alta,
• Grande variação na tensão aplicada,
• Grande nº de ciclos,
Características importantes da fadiga:
• Ocorrência de deslizamento não significa que irá
forma trinca
• A propagação da trinca em fadiga geralmente é
transgranular
• Formação de intrusões e extrusões
Deformação
estática
Intrusão
Extrusão
Início da trinca e propagação (estágio I e II)
•Iniciação da trinca
•Crescimento da trinca em banda de deslizamento (I)
•Crescimento da trinca nos planos de alta tensão de
tração (II)
•Ruptura final estática
Vida em fadiga, Nf, (número de ciclos até a falha):
N f = N i + Np
Nf = número de ciclos para fratura
Ni = número de ciclos para início da trinca
Np = número de ciclos para propagação da trinca
Vida em fadiga de baixo ciclo: alta carga,
deformação plástica e elástica
Nf ~ Np
Vida em fadiga de alto ciclo: baixa carga,
deformação elástica (N>105)
Nf ~ Ni
Início da trinca e propagação (estágio I e II)
Estágio (I)
• Taxa de propagação da
trinca na ordem de
Å/ciclo
• Superfície de fratura
sem aspecto
característico,
geralmente é plana
• Envolve poucos grãos
Estágio (II)
• Taxa de propagação da
trinca na ordem de
m/ciclo
• Trinca perpendicular a
tensão aplicada
• Superfície de fratura na
forma de estrias ou
rugas produzidas por um
único ciclo de tensões
Alto ciclo de
fadiga (baixa
carga):
• Ni é relativamente
alto.
• Com aumento do
nível de tensão, Ni
decresce e Np
domina.
Tração
Compressão
No estágio II ocorre um processo plástico que
torna a ponta da trinca rombuda.
Cobre trabalhado
a frio
Variação do espaçamento da estricção: (a) liga de
alumínio 7475-T7651 sob tensão alternada, (b) liga
de alumínio 7050-T7651 extrudada
Curva S-N
Curva de tensão (S) versus número de ciclos
necessários para a fratura (N):
• Teste sob tensão alta
• Diminui a tensão até que 1 ou 2 CP não se rompa
(107 ciclo)
• Utiliza cerca de 8 a 12 CP´s.
fadiga de
baixo ciclo
fadiga de
alto ciclo
apresenta
limite de fadiga
(ex., ligas de Fe,
Ti, ...)
NÃO apresenta
limite de fadiga, e
sim o tempo de vida
em fadiga (fratura
após 107 ciclos).
(ex., ligas de Al,
Cu, Mg)
O limite de fadiga é a amplitude
de tensão máxima abaixo da
qual o material não falha, sem
importar o número de ciclos.
A taxa de propagação de trincas:
da
= Cσ am a n
dN
da
= C1ε m1
dN
da
= AΔK ρ
dN
C = constante
σa = tensão alternada
a = comprimento da trinca
m = varia de 2 - 4
n = varia de 1 – 2
A= constante
ρ= varia de 1 – 6
ΔK = K max − K min =
= YΔσ πa =
= Y (σ max − σ min ) πa
Fatores que afetam a vida em fadiga
Efeito da tensão média
Fatores que afetam a vida em fadiga
Efeito da tensão média
Efeito da superfície de fadiga
• Rugosidade na superfície ou concentrador de tensões
• Variações nas condições de tensão residual ou
resistência a fadiga da superfície
• Oxidação ou corrosão
• Fatores de projeto
• Tratamentos superficiais
Fator de
superfície para
aços com vários
tratamentos
superficiais
Design ruim
Design bom
Efeito da concentração de tensão na fadiga
Comparação das curvas S-N de CP´s entalhados e não entalhados
Sensibilidade ao entalhe:
q=
K f −1
Kt −1
Kf = fator de entalhe na fadiga
Kt = fator de concentração de tensão na fadiga
Efeito do tamanho da amostra
A resistência a fadiga de componentes grandes é inferior a s
amostras pequenas.
Aço-carbono normalizado em flexão alternada
Diâmetro da amostra (mm)
Limite de fadiga (kgf/mm2)
7,62
25,30
38,10
20,40
152,40
14,80
Efeito dos elementos intersticiais
A = Metal puro
B = Elementos formadores de ss
C = envelhecimento por deformação
D = aumento do envelhecimento
Efeito dos elementos intersticiais
A = Metal puro
B = Elementos formadores de ss
C = envelhecimento por deformação
D = aumento do envelhecimento
Efeito da temperatura na fadiga
• Baixa temperatura aumenta a resistência a
fadiga (exceto aço doce)
Fadiga térmica
• A falha por fadiga pode ser provocada por tensões
térmicas flutuantes
σ = α l E ΔT
Variáveis que influenciam na vida em fadiga:
Concentração de tensões, corrosão, temperatura,
sobrecarga, tensões residuais e combinadas
Soluções:
• Polir
• Aplicar força compressiva na superfície da trinca
• Promover endurecimento superficial pela difusão
atômica de determinados elementos
• Otimização da geometria da peça
Fadiga térmica:
Ciclos térmicos que causam expansão e contração,
além da tensão aplicada.
Soluções:
• Eliminar restrição pelo design
• Usar material com baixo coeficiente de expansão
térmica
Fadiga sob corrosão:
Reação química forma pits que agem como
concentrador de tensões. A corrosão aumenta a
propagação de trincas
Soluções:
• Diminuir o meio corrosivo
• Adicionar superfície protetora
• Aplicar tensão compressiva residual
Critérios de projeto
Utilizar norma para ensaio de fadiga:
•Corpos de prova do mesmo tamanho, rugosidade,
tensão residual, etc.
•Nível de tenção e número de ciclos apropriados
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