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Ensaios de FADIGA
Prof. Luiz Cláudio Cândido
ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS
candido@em.ufop.br
MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de MateriaisTelefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br
METALURGIA MECÂNICA – II (MET 109)
Ensaios de Fadiga
Ensaios de Fadiga: objetivo
Os ensaios de fadiga têm por objetivo a determinação da vida do material submetido a carregamento cíclico.
Abordagens:
Ensaio com carga constante;Ensaio com deformação constante;Ensaio de propagação de trinca.
da/dN-∆KMecânica de Fratura
Tolerância de danos
ε - NTensão-vidaVida-segurança, vida-infinita
S - NTensão-vidaVida-segurança, vida-infinita
Tipo de ensaioMetodologiade projeto
Filosofia de projeto
Ensaio de Dureza - Introdução
Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
2minmax σσ
σ+
=m
minmax σσσ −=∆
2
σσ ∆=a
max
min
σσ
=R Ntotal = Ni + Np
Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
Ensaios de fadiga: nomenclatura utilizada
Ensaios de fadiga: simulação em laboratório das etapas de trincamento
Representação esquemática de uma máquina de tensão rotativa utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
Representação esquemática de uma máquina servo-hidráulica utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
Representação esquemática de uma máquina servo-hidráulica utilizada no ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: equipamentos
Ensaios de fadiga: equipamentos
Ensaio de fadiga: máquina flexorotacional
CP ensaiado sob fadiga; emprego de líquido penetrante para detecção de trincas superficiais.
Ensaios de fadiga: equipamentos GEsFraM
MTS – 10ton.
INSTRON – 25ton.
Ensaios de fadiga: corpos-de-prova
Corpos-de-prova utilizados para o ensaio de fadiga: (A) região paralela e raios de concordância; (B) somente raio de concordância.
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
fa NDC log+=σ
( )Bfa NA=σ
Diferentes equações podem ser usadas para descrever a curva S-N obtida a partir de dados experimentais. Se os dados se ajustam sobre uma linha reta em um traçado log-linear, a expressão para representar a curva é: , onde C e D são constantes de ajuste da curva
Se os dados experimentais se aproximam de um linha reta sobre o traçado log-log, a equação para descrever a curva é:
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: abordagem pela Curva de Wöhler
(Normas)
Ensaios de fadiga: exemplo de CP - GEsFraM
Fixação de CP nas garras da máquina servo-hidráulica – MTS.
Ensaios de fadiga: apresentação dos resultados do ensaio de fadiga através de curvas de probabilidade constante
Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of MechanicalEngineers - 1981
Determinação da curva de fadiga e do limite de fadiga.
Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of MechanicalEngineers - 1981
Determinação do limite de fadiga: método staircase ou up-and-down.
Ensaios de fadiga: proposta da Japan Society of Mechanical Engineers - 1981
Aplicação do método escada para ensaio de fadiga: (A) resultados obtidos e (B) gráfico de resultados.
Ensaios de fadiga: curvas típicas
Ensaios de fadiga: curvas típicas
(A) metais ferrosos e (B) metais não-ferrosos.
Ensaios de fadiga: curvas típicas
Ensaios de fadiga: curvas típicas
Ensaios de fadiga: curvas para polímeros
Curvas de vida à fadiga para dois diferentes polímeros: náilon 6 e polimetil metacrilado (PMMA).
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Curvas obtidas durante o ensaio de fadiga térmica; (a) ciclos de temperatura utilizados; (b) esforço máximo x temperatura.
(a)
(b)
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Resultados de ensaios de fadiga térmica (∆T = 250-900°C e tempo de permanência de 30s).
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: estudo de casos - GEsFraM
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
(((( )))) (((( ))))∆∆∆∆ ∆∆∆∆ ∆∆∆∆ε ε ε σεt e p f
f
b
f f
c
EN N
2 2 22 2==== ++++ ==== ++++
σf – coeficiente de resistência à fadiga; b – expoente de resistência à fadigaεf – coeficiente de ductilidade em fadiga; c – expoente de ductilidade à fadiga
(ensaios com controle de deformação)
Dispositivo montado para ensaio de fadiga comcontrole de deformação.
Para um material com comportamento exclusivamente elástico, produz-se uma curva de histerese do tipo (a); para um material com comportamento elástico e plástico, tem-se a curva (b). A área contida dentro deste anel de histerese representa uma medida do trabalho de deformação plástica transmitido ao material.
Uma vez em fadiga sob controle de deformação, o material pode encruar ou amolecer, atingindo após um certo número de ciclos a sua estabilidade. A partir desta estabilização, pode-se determinar a vida em fadiga, através da chamada equação de Coffin/Manson (1954-1963):
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Determinação dos coeficientes e expoentes de fadiga para um aço
AISI/SAE 4340.
Coeficiente de resistência à fadiga.
Expoente de resistência à fadiga = inclinação = b = -0,09.
Coeficiente de ductilidade em fadiga.
Expoente de ductilidade em fadiga = inclinação = c = -0,57.
Reversões para fratura, 2Nf
(b)
Propriedades de fadiga (resistência e ductilidade) para o aço AISI/SAE 4340.
Ensaios de fadiga: abordagem pelas curvas de Coffin/Manson
Superposição das curvas elástica e plástica, produzindo a curva de fadiga com controle de deformação para um aço 300M (aço maraging).
Nota-se que a curva de vida total se aproxima da parcela plástica para grandes amplitudes de deformação total, e aproxima-se da parcela elástica para baixas amplitudes de deformação total. Este ensaio também estápadronizado pela ASTM.
Superposição de curvas elástica e plástica para formar a curva deformação total versus vida em fadiga para o aço maraging 18%Ni.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(a curva sigmoidal da/dN versus ∆K)
Curva tamanho de trinca x número de ciclos de fadiga, mostrando o efeito do nível de tensão aplicado.
As metodologias propostas por Wöhler e por Coffin/Manson apresentam algumas desvantagens:
- incapacidade de distinguir claramente entre os estágios de iniciação e de propagação de trincas;
- elevado espalhamento (dispersão) de resultados;- dificuldade na previsão da falha de partes críticas de
fadiga.
Curva da/dN x ∆K e mecanismos de fadiga em metais.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura(exemplo - dados GEsFraM)
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Corpo-de-prova para ensaio de propagação de trinca por fadiga.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Corpo-de-prova C(T) com clip on gage.
Gráfico carga aplicada versus COD. Note a mudança de inclinação da reta, à medida que aumenta o número de ciclos.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Cálculo
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
(BH = Bake Hardened)
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Ensaio de propagação de trinca por fadiga em ligas de alumínio. Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Ensaio de propagação de trinca por fadiga em liga de alumínio. Efeito de estiramento e shot peening. Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Ensaio de propagação de trinca por fadiga em superliga de níquel. Aplicação: indústria nuclear.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de alumínio Al-7475. Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: aplicação da Mecânica de Fratura (Fonte: GEsFraM)
Aplicação de alguns modelos empíricos de previsão da propagação de trinca por fadiga numa liga de aço inoxidável PH 13 8Mo. Aplicação: indústria aeronáutica.
Ensaios de fadiga: Influência de R e σm
Influência da razão de tensão (A) e da tensão média (B), para o ensaio de fadiga.
Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão
Representação esquemática de tipos de imperfeições superciais estabelecidas em projeto: (A) entalhe em “V”; (B) chaveta; (C) pescoço.
Ensaios de fadiga: efeito da intensificação do concentrador de tensão
Melhoria no projeto, eliminando pontos de concentração de tensões.
Ensaios de fadiga: efeito da superposição de tensões
Superposição de tensões aplicada e residual.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
Processo de avanço de trinca por fadiga.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
(A) elementos de nucleação de trincas em componentes sujeitos a esforços cíclicos;(B) canto em ângulo reto devido a projeto não-qualificado.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
(A) região de intenso deslizamento durante fadiga em uma liga de níquel;(B) formação de trincas na superfície devidas às bandas de deslizamento.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
Início de trinca por fadiga em uma liga de níquel: (A) em inclusão não-metálica; (B) em um poro.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
Esboço da formação de estrias na propagação de trinca por fadiga (estágio II da curva da/dN x ∆K).
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
Macrofratografia típica do fenômeno de fadiga.
Ensaios de fadiga: introdução à fratura por fadiga
Microfratografia mostrando as formação de estrias: (A) liga de aço Ni-Cr, 1200X; (B) cobre trabalhado a frio, 5000X; MEV.
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