ELEM.I - Aula 01 - Teoria de Falhas Por Fadiga

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    Disciplina

    Elementos de Mquinas I

    TEORIA DE FALHAS POR FADIGA

    Professor

    M.Sc. Fabrcio Jos Nbrega Cavalcante

    Mossor - RN

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    A maioria das falhas em mquinas acontecem devido acargas que variam no tempo, ocorrendo em nveis de tensesinferiores aos valores da resistncia do material, ocasionandoa fratura no material, geralmente por fadiga.

    O que fadiga?

    E um processo de fratura decorrente da aplicao repetidade cargas ou deformaes ao longo do tempo, noapresentando fratura, quando a aplicao realizada deuma nica vez.

    O termo falha por fadiga permaneceu, e ainda hoje, usado para descrever qualquer falha devido a cargasvariantes no tempo.

    1- Introduo

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    Como a Fadiga um processo que leva a fratura, temos que: Fratura a separao ou fragmentao de um corpo slido em

    duas ou mais partes sob a ao de uma tenso, sendo

    formado por, incio e propagao de trinca.

    1- Introduo

    Fratura Frgil Fratura Ductil

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    Navio quebrado em guas calmas

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    Avio 737 que perdeu o teto durante o vo, devido uma falha porfadiga (aps mais de 32 mil decolagens)

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    Avio DC-9 fraturado durante um pouso normal (notar que ospneus no esto furados nem os trens de pouso esto quebrados,logo a falha no pode ser debitada ao piloto)

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    Gasodutos fraturados por vrios km

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    1.1 Histrico

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    1.2 Conceitos de Fadiga

    a forma de falha ou ruptura que ocorre nas estruturassujeitas foras dinmicas e cclicas variando com o tempo;

    Nessas situaes o material rompe com tenses muitoinferiores correspondente resistncia trao(determinada para cargas estticas);

    comum ocorrer em estruturas como pontes, avies,componentes de mquinas (custo elevado);

    A falha por fadiga geralmente de natureza frgil mesmo emmateriais dcteis.

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    1.4 Mecanismos

    Incio da Trinca: ocorre devido a imperfeies, partculas,incluses, etc. (em escala microscpica os metais no sohomogneos e isotrpicos) existindo pontos de concentraode tenso.

    Trinca: aps o surgimento da trinca microscpica, ela sepropaga, de acordo com os mecanismos da Mecnica daFratura. Envolve o maior tempo de vida da pea e se houver apresena de corroso sua velocidade ir aumentar.

    Ruptura Repentina: crescimento instvel da trinca, ocorre umafalha repentina e catastrfica, sem nenhum aviso.

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    Mecanismo de falha por fadiga (3 estgios) incio de uma pequena trinca

    propagao da trinca

    ruptura repentina devido ao crescimento instvel da trinca

    I n c i o Propagao Ruptura

    1.4 Mecanismos

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    Mecanismo de falha por fadiga (3 estgios) incio de uma pequena trinca

    propagao da trinca

    ruptura repentina devido ao crescimento instvel da trinca

    1.4 Mecanismos

    I n c i o

    Propagao

    Ruptura

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    Fadiga em elementos de mquinas - EIXOS

    Eixos c/ tenses flutuantes

    Ocorre fadiga

    Flexo-toro

    Eixo c/ carregamentoesttico

    No ocorre fadiga

    Flexo

    1.5 Consideraes ao projeto de mquinas

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    Diferentes tipos de carregamento de fadiga

    Pulsante

    Repetida

    Alternada

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    Diferentes tipos de carregamento de fadiga

    (liga-desliga)

    Implemento agrcola

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    Def in ies :

    2

    minmax

    a

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    Em componentes lisos, sem entalhes, comono caso de corpos de prova, mais de 70% davida usada para a Nucleao e Estgio I

    reduzir imperfeies superfcies econcentradores de tenso aumentamconsideravelmente a vida do componente

    Observaes :

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    Aspecto macroscpico de uma superfcie de ruptura

    por fadigaSimilar uma fratura frgil

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    Esquema das superfcies de fratura por fadiga

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    Superfcie de fratura por fadiga

    Pela forma das marcas de praia pode-se concluir que o eixotrabalhou em flexo alternada, com baixa tenso nominal

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    Superfcie de fratura por fadiga

    marcas de praia(concntricas, partindo do incio da trinca)

    marcas de rio(radiais, apontam para o incio da trinca)

    1mm

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    Superfcie de fratura por fadiga

    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

    cisalhamentofinal

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    Superfcie de fratura por fadiga

    (a): eixo de ao 1040 chavetado com falha em flexo rotativa

    (b): virabrequim de motor a diesel com solicitao combinada deflexo e toro

    Origem

    (a) (b)

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    cargas cclicas

    entalhes (regies deconcentrao detenses)

    Historicamente a anlisede fenmenos de fadigacomeou no sculo XIX(1858-1870), com aavaliao das falhasrepetidas nos eixos dosvages de estradas deferro:

    Ensaios de Fadiga

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    Atualmente, os ensaios de fadiga so realizados com auxlio de

    mquinas servohidrulicas modernas, sendo mais comuns os ensaiosde trao-compresso

    Ensaios de Fadiga

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    Atualmente, os ensaios de fadiga so realizados com auxlio de

    mquinas servohidrulicas modernas, sendo mais comuns os ensaiosde trao-compresso

    Ensaios de Fadiga

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    Ciclo de vida em Fadiga

    Em mquinas, a maioria das falhas ocorrem devido a esforosdinmicos (Fadiga = 50 a 80% + corroso + desgaste)

    Modelos de falha por fadiga Tenso x nmero de ciclos - SN (mais usado) (fadiga a alto ciclo)

    Deformao x nmero de cicloseN (fadiga a baixo ciclo)

    Propagao de trincas de fadiga (da/dn-DK) (trinca inicial j existe)

    Curva SN (Tenso-Vida)

    Tenso

    Limite de fadiga

    Nmero de ciclos da carregamento

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    Vida em fadiga

    Se (Limite de fadiga) x Sf (Resistncia fadiga)

    Ciclo de vida em Fadiga

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    Ao carbono comum

    Critrios de falha por fadiga

    ensaios de prottipos ensaios de fadiga em corpos-de-prova retirados de peas dados da literatura, fabricantes / fornecedores, etc.. estimativa utilizando dados de ensaio de trao (Sy e Sut)

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    Exemplos de dados de publicaes tcnicas

    Ao Carbono Se = 0,5 Sut p/ Sut 1400 MPa

    Se = 700 MPa p/ Sut 1400 MPa

    Ferro Fundido Se = 0,4 Sut p/ Sut 400 MPa

    Se = 160 MPa p/ Sut 400 MPa

    Alumnio Sf = 0,4 Sut p/ Sut 330 MPa (5 x 108 ciclos)

    Sf = 130 MPa p/ Sut 330 MPa (5 x 108 ciclos)

    Ligas de Cu Sf = 0,4 Sut p/ Sut 100 MPa (5 x 108 ciclos) Sf = 100 MPa p/ Sut 330 MPa (5 x 108 ciclos)

    Se = Limite de fadiga estimado Sf = Resistncia fadiga terica

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    Cu rva Tenso-Vid a (S-N) Tp ica de um Ao

    Nvel de amplitude de tenso abaixo do qual no ocorre falha porfadiga (vida infinita)Vlido para corpos de prova ensaiados a amplitude constante

    Lim ite de Fadiga (fat igu e l imit , endurance l im it)

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    Cu rva Tenso-Vid a Tpic a de uma L ig a deA lumnio

    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 maisconveniente para uma melhor anlise dos dados

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    Carregamento - CCAR Tamanho - CTAM Acabamento superficial - CSUP Temperatura - CTEMP Confiabilidade - CCONF

    '

    '

    .....

    .....

    fCONFTEMPSUPTAMCARf

    eCONFTEMPSUPTAMCARe

    SCCCCCS

    ensaio

    SCCCCCS

    Fatores que influenciam as curvas SN

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    Efeito do carregamento Flexo: CCAR = 1

    Fora normal: CCAR= 0,70 a 0,90 (depende de Sut do material)

    Toro pura: CCAR= 0,577

    Efeito do tamanho (para peas cilndricas - d) - CTAM Juvinall

    1 para d 10 mm

    0,9 para 10 < d 50 mm

    0,8 para 50 < d 100 mm

    0,7 para 100 < d 500 mm

    Shigley & Mitchell 1 para d 8 mm 1,189 .d-0,097 para 8 < d 250 mm

    ASME 1 CTAM

    = 1,85 d-0,19 para 50 < d 250 mm

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    Efeito da Temperatura - CTEMP

    a temperatura influencia na tenacidade fratura (Kc)

    Para temperaturas at 50% da temperatura de fuso, deve-se usare x N

    Shigley & Mitchell Prope para aos carbono

    para T 450 C CTEMP = 1

    para 450 T 550 C CTEMP = 1 0,0058 (T - 450)

    Shigley & Mischke

    70 T 1000F

    41238

    253

    ).10(595,0).10(104,0

    ).10(115,0).10(432,0975,0

    TT

    TTCTEM

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    Efeito do acabamento superficial Parmetro que depende do material e do processo de acabamento Shigley & Mischke

    Csup = A. rup b com rupou Sut em [MPa] (Aos Carbono)

    Csup = 1 ( Ferro Fundido)

    Johnson

    Acabamento A b

    Retificado 1,58 -0,085Usinado ou estirado a frio 4,51 -0,265

    Laminado a quente 57,7 -0,718

    forjado 272 -0,995

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    Efeito da confiabilidade Os desvios-padres raramente excedem a 8%

    Natureza estatstica dos processos de fadiga

    Confiabilidade 50 90 95 99 99,9 99,99

    Cconf 1 0,897 0,868 0,814 0,753 0,702

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