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