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Introducao a Fadiga
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1Marco Luersen / UTFPR
O FENMENO DA FADIGA Introduo
Prof. Marco Antnio Luersen
DAMEC - UTFPR
Marco Luersen / UTFPR
Fadiga
um tipo de falha mecnica, causada primariamente pela aplicao repetida de
carregamentos variveis, a qual caracterizada
pela gerao e/ou pela propagao paulatina de
uma trinca, at a eventual fratura da pea
Falha mais comum em componentes mecnicos (50 a 90% das falhas)
A tenso flutuante ou repetida a que o material est submetido quando da ruptura muito inferior
aquela necessria para ocasionar a fratura devido
uma carga esttica
2Marco Luersen / UTFPR
Fadiga
As cargas variveis fazem com que, em alguns pontos, tenhamos deformaes plsticas que
levam o material a uma deteriorao, dando
origem a uma trinca
A trinca cresce at atingir um tamanho suficiente para a ruptura final, geralmente brusca, com
caractersticas de uma ruptura frgil
Falha inesperada e repentina
Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (1)
O avio, um B-737-200, vou
89.680 vos, uma mdia de 13 por dia,
nos 19 anos de vida til
28 de abril de 1988
Aloha Airlines - Vo 243
25 mm
Pequenas trincas iniciaram prximas
dos furos de rebites
e formaram uma trinca longa
3Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (2)
DC-9 fraturado durante um pouso normal (notar que os pneus no esto furados nem os trens de pouso esto quebrados, logo a falha no pode ser debitada ao piloto)
Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (3)
Fratura similar de um EMB-145 (em 1999)
4Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (4)
Navio quebrado em guas calmas
Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (5)
Mais um exemplo de
um navio
quebrado em
guas calmas
Todas estas falhas foram
resultado da
propagao
de pequenas
trincas
5Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (6)
Ponte sobre o rio Ohio, em Point Pleasant, W.Virginia, USA (similar ponte Herclio Luz em Florianpolis, SC)
Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (6b)
Restos da ponte aps a falha (com 46 mortes) causada por uma pequena trinca que levou ~50 anos para ficar instvel
6Marco Luersen / UTFPR
Exemplos de falhas catastrficas por fadiga (7)
Gasoduto siberiano que fraturou por vrios km
Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
(exemplos fonte: Da Rosa, UFSC):
(liga-desliga)
Implemento agrcola
7Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
8Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
9Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
Marco Luersen / UTFPR
Diferentes tipos de carregamento de fadiga
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Marco Luersen / UTFPR
Tenso de trao suficientemente alta (fadiga estrutural fadiga de contato)
Variao ou flutuao na tenso aplicada (carga cclica) suficientemente alta
Um nmero de ciclos de aplicao da tenso suficientemente grande (nmero que depende
da situao)
Fatores bsicos necessrios para causar
falha por fadiga:
Marco Luersen / UTFPR
Concentrao de tenses
Corroso
Temperatura
Estrutura metalrgica
Tenses residuais
Tenses combinadas
Variveis que tendem a alterar as condies
de ocorrncia da fadiga:
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Estgios do mecanismo de fadiga
Nucleao da trinca: geralmente na superfcie, onde tem-se as mximas tenses e onde se
verificam deterioraes devido ao do meio
ambiente
Estgio I da propagao: aprofundamento da trinca inicial nos planos de alta tenso cisalhante
Estgio II da propagao: crescimento de uma trinca bem definida, em direo normal tenso de
trao mxima (estrias macroscpicas linhas de praia ou de repouso)
Ruptura final: a seo transversal restante no suporta a carga
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Estgios de propagao de uma trinca de fadiga
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Marco Luersen / UTFPR
Em componentes lisos, sem entalhes, como no caso de corpos de prova, mais de 70% da
vida usada para a Nucleao e Estgio I
reduzir imperfeies superficiais e concentradores de tenso aumentam
consideravelmente a vida do componente
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Crescimento paulatino de uma trinca de fadiga
direo do carregamento
(ciclos)
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Marco Luersen / UTFPR
Aspecto macroscpico de uma superfcie de
ruptura por fadiga
Similar uma fratura frgil
(ruptura catastrfica)
(superfcie rugosa)
(propagao da trinca)
Marco Luersen / UTFPR
Marcas de praia e marcas de rio
marcas de praia(concntricas, partindo do incio da
trinca)
marcas de rio (radiais, apontam para o incio da trinca)
1mm
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Marco Luersen / UTFPR
Esquema das superfcies de fratura por fadiga
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Superfcie de fratura por fadiga (1)
Pela forma das marcas de praia pode-se concluir que o eixo
trabalhou em flexo alternada, com
baixa tenso nominal
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Superfcie de fratura por fadiga (2)
(a): eixo de ao 1040 com rasgo de chaveta e falha sob flexo rotativa
(b): virabrequim de motor a diesel com solicitao combinada de flexo e toro
Origem
(a) (b)
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Superfcie de fratura por fadiga (3)
Falha por fadiga em uma biela de pisto (200mm de dimetro) de uma martelo utilizado para forjamento
Sem concentrao de tenses, devido um defeito interno: note que no existe propagao de trinca na parte externa
Trao pura
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Superfcie de fratura por fadiga (4)
Falha por fadiga em uma barra conectora forjada de ao AISI 8640 (200mm de dimetro) de uma martelo utilizado para forjamento
OrigemRegio da
ruptura final
Regio de
cisalhamento
final
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Superfcie de fratura por fadiga (5)
Ruptura na pedivela de um sistema de pedal de bicicleta
Regio da
ruptura final
Marcas de praia
Origem
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Graus de sofisticao em ensaios de fadiga
Ideal, mas alto custo
Compromisso: resultado realstico X custo
Marco Luersen / UTFPR
cargas cclicas
entalhes (regies de concentrao
de tenses)
A Mquina de Fadiga de Woehler
Historicamente a anlise
de fenmenos de fadiga
comeou no sculo XIX
(1858-1870), com os
trabalhos de Woehler
sobre falhas repetidas
nos eixos dos vages de
estradas de ferro:
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Marco Luersen / UTFPR
Esquema da mquina de ensaios de flexo rotativa
utilizada por Whler
Corpos de Prova
Marco Luersen / UTFPR
Atualmente, os ensaios de fadiga so realizados com
auxlio de mquinas servohidrulicas modernas, sendo
mais comuns os ensaios de trao-compresso
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Modelos de falha por fadiga
Tenso X Nmero de ciclos s-N ou S-N (mais usado, fadiga a alto ciclo)
Deformao X Nmero de ciclos e-N ou E-N (fadiga a baixo ciclo)
Propagao de trincas de fadiga (da/dN-DK) (trinca inicial j existente)
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Curva Tenso-Vida (s-N ou S-N) Tpica de um Ao
nvel de amplitude de tenso abaixo do qual no ocorre falha por fadiga vlido para corpos de prova ensaiados a amplitude constante
Limite de Fadiga (fatigue limit, endurance limit)
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Curva Tenso-Vida Tpica de uma Liga de Alumnio
Curva s-N tpica para ensaio de flexo rotativa em corpos de provas de liga de alumnio
A representao do nmero de ciclos em escala logartmica mais
conveniente para uma melhor anlise dos dados
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Curva Tenso-Vida de Aos
Representao da curva em funo da razo
Tenso Alternante / Tenso Limite de Resistncia (Sf / Sut)
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Curva Deformao-Vida (e-N ou E-N) Tpica de um Ao
Marco Luersen / UTFPR
Curva de Propao de Trincas: da/dN-DK (uma trinca inicial j existente)