Mecanica Analise de Falhas Engenharia

Curso de Anlise de Falhas APRESENTAO

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Este curso faz parte da programao da XXIII Semana da Engenharia Mecnica (SENGMEC-2002) da Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira, promovida pelo Grmio Estudantil do Curso de Engenharia Mecnica e pelo Departamento de Engenharia Mecnica, com o apoio do Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica, no perodo de 26 a 31 de agosto de 2002. O curso destinado a alunos de graduao, de ps-graduao, de escolas tcnicas, exalunos, tcnicos e professores. Todo o material aqui impresso estar tambm disponvel em um CD-ROM que conter ainda toda a programao do evento. Esperamos que este curso possa contribuir para a formao e/ou especializao de todos os participantes inscritos. Atenciosamente, COMISSO ORGANIZADORA DA SENGMEC-2002 Carlos Alexandre Z. Vilchez - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (Presidente) Ricardo Carvalhal - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (Vice-Presidente) Alexandre Camargos Koguchi - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (1o Secretrio) Alessandro Tomio Takaki - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (2o Secretrio) Geraldo Vidotto Junior - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (1o Tesoureiro) Cludio A. V. Barbosa - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (2o Tesoureiro) Rogrio Erbereli - Grmio Estudantil da Engenharia Mecnica (Suplente) Ricardo Alan Verd Ramos - Departamento de Engenharia Mecnica (Chefe) Vicente Afonso Ventrella - Departamento de Engenharia Mecnica (Vice-Chefe) Joo Antonio Pereira - Departamento de Engenharia Mecnica (Coord. PPGEM) Amarildo Tabone Paschoalini - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Andr Luiz Seixlack - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Aparecido Carlos Gonalves - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Cssio Roberto Macedo Maia - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Hidekasu Matsumoto - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Rus Camargo Tokimatsu - Departamento de Engenharia Mecnica (Colaborador) Elias Amaral dos Santos - Departamento de Engenharia Mecnica (Webmaster) rika Renata B. Lomba - Departamento de Engenharia Mecnica (Desenhista) Sandra L. M. Pereira - Departamento de Engenharia Mecnica (Secretria) Alex Sander Borges - Departamento de Engenharia Mecnica (Aux. Administrativo) Gilmar Pereira da Silva - Escola Tcnica de Ilha Solteira (Estagirio)

XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002

Curso de Anlise de Falhas

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NDICE1. CONSIDERACES GERAIS 2. INTRODUO 2.1. Tipos de fratura 2.2. Resistncia coesiva terica dos metais 2.3. Comportamento dctil e frgil dos materiais 2.4. Afinal, em que se constitui uma Falha Mecnica? 3. A FADIGA DOS MATERIAIS METLICOS 3.1. Introduo 3.2. Ciclos de tenso 3.3. A Curva S-N 3.4. Natureza estatstica da fadiga dos materiais metlicos 3.5. Fadiga de baixo ciclo 3.6. Caractersticas estruturais da fadiga 3.7. Efeitos da concentrao de tenso, na fadiga 3.8. Efeito do tamanho do componente 3.9. Efeito de superfcie na vida em fadiga 3.10. Fadiga por corroso 4. ANLISE DE FALHAS EM COMPONENTES MECNICOS 5. RESISTNCIA DOS AOS AO DESGASTE 6. BIBLIOGRAFIA BSICA 1 1 4 6 7 8 13 13 14 16 17 18 19 26 27 27 31 33 38 40



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1. CONSIDERAES GERAISA ocorrncia de falhas mecnicas pode ser atribuda a: a) Deficincias do projeto e fragilizao dos materiais; b) Processamento inadequado: impurezas no interior dos materiais; defeitos internos microestruturais e superficiais; tratamentos trmicos inadequados; outros. c) Deteriorao em servio: eroso; corroso; ataque qumico; radiao; outros. d) Operao incorreta dos equipamentos: sobrecarga esttica e/ou dinmica; manuteno inadequada; outros. A anlise das causas de falhas pode, em muitos casos, ser realizada atravs da interpretao e caracterizao da superfcie danificada que em muitos casos capaz de revelar a histria dos eventos que precederam a falha. A importncia da Anlise de Falhas reside no fato de elementos de caracterizao das suas causas. Logo o seu objetivo o de se conhecer as causas das falhas de certos materiais e equipamentos, para a partir da chegar-se sua meta final que , dentro do possvel, prevenir novas ocorrncias.

2. INTRODUOUma maneira bem simples de se definir fratura dizer que ela a separao ou a fragmentao de um corpo slido em duas ou mais partes, sob a ao de uma tenso. Genericamente, dizemos que o processo de fratura pode ocorrer em duas etapas: a) O incio de uma trinca; b) A propagao desta trinca. Alm disto, uma fratura pode ser classificada em duas grandes categorias: a) Fratura frgil; b) Fratura dctil. A fratura dctil caracterizada pela ocorrncia de uma aprecivel deformao plstica antes e durante a propagao da trinca. Alm disso, dizemos que a propagao de uma trinca dctil se d de forma estvel. Neste caso a superfcie de fratura apresenta normalmente uma quantidade considervel de deformao. J a fratura frgil dos metais caracterizada pela rpida propagao da trinca, ou seja, pela propagao instvel da trinca, com nenhuma deformao macroscpica e muito pouca micro-deformao. No caso de aos de baixa e mdia resistncia que geralmente apresentam boa ductilidade, a ocorrncia de fratura frgil em baixas temperaturas tende a aumentar, podendo levar a acidentes catastrficos e neste caso dizemos que houve a fragilizao do material. Os problemas causados pela fragilizao de componentes e estruturas metlicas remontam desde o final do sculo passado, em particular, com estruturas soldadas ocorreu uma srie de acidentes espetaculares dos quais pode-se citar os seguintes: - Ponte do zoo de Berlim (Alemanha/1936); - Ponte do canal Albert (Blgica/1938); XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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- Ponte de Ouest des Trois Rivires(Canad/1951); - Transatlntico Titanic (Mar do Norte/1906). Com outras estruturas de ao soldadas tais como vasos de presso gasodutos, navios e aeronaves, tambm ocorreram fraturas, algumas das quais incrveis, devido fragilizao dos materiais. Para se ter uma noo da extenso do problema que a fragilizao de estruturas metlicas representa, pode-se citar que com o advento da II Grande Guerra, devido necessidade de alta produo, os americanos optaram pela fabricao de cascos de navios inteiramente soldados e no rebitados como era feito normalmente quela poca. Dos 4.694 navios da srie Liberty, 1.289 apresentaram falhas estruturais importantes e 233 belonaves apresentaram fraturas frgeis graves e muitos partiram-se completamente. interessante ressaltar que parte desses incidentes ocorreu em dias de inverno rigoroso e com as embarcaes paradas no porto ou seja, a fragilizao dessas estruturas no permitiu que elas se deformassem devido ao simples vai-e-vem das guas do mar. Estudos posteriores de amostras retiradas dessas estruturas mostraram que essas fraturas frgeis dependem, entre outras, de quatro fatores fundamentais: a) Temperatura; b) Defeitos na estrutura interna dos materiais; c) Concentraes de tenso em certas regies da estrutura, provenientes de erros no projeto de fabricao; d) Taxas de deformao. As figuras de 2.1 a 2.4, ilustram alguns casos de fraturas citados acima.

Figura 2.1 - Rompimento de um vaso de presso de 920mm de dimetro. Nota-se uma regio de concentrao de tenso.



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Figura 2.2 - Ruptura completa de um navio da srie Liberty.

Figura 2.3 - Rompimento de um reservatrio de ar comprimido a 6 OC XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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Figura 2.4 - Rompimento de um gasoduto a -16OC. Neste caso, a fratura estendeu-se por vrias dezenas de quilmetros. 2.1. Tipos de fratura Os componentes metlicos que compem mquinas e equipamentos podem apresentar muitos tipos diferentes de fraturas. E isso ir depender essencialmente do tipo de material, do estado de tenses e como foi visto anteriormente, da taxa de carregamento. A figura 2.5 exibe esquematicamente alguns tipos de fratura. Nesse caso considerou-se um elemento submetido trao monotnica. Uma fratura frgil, fig.2.5(a), caracterizada pela separao normal tenso de trao. Externamente no h evidncias de deformao, entretanto anlises da difrao de Raio X poderiam detectar uma camada fina de metal deformado, logo abaixo da superfcie de fratura. A fratura frgil tem sido observada em metais cbicos de corpo centrado (ferro, tungstnio) e hexagonal compacto (titnio, zinco magnsio) , mas no em metais cbicos de faces centradas (alumnio, cobre, nquel). A fratura dctil pode assumir vrias formas. Monocristais HC podem deslizar em planos basais sucessivos at que o cristal finalmente se separa por cisalhamento, fig.2.5(b). Materiais policristalinos de metais muito dcteis, como o ouro ou o chumbo, podem ter a sua seo reduzida a um ponto, antes que se rompam, fig.2.5(c). Na fratura em trao de metais com ductilidade moderada, a fratura pode assumir um formato denominado taa-cone, fig.2.5(d). Uma fratura por cisalhamento ocorre como resultado de um deslizamento intenso de planos preferenciais. Esse tipo de fratura provocado por tenses cisalhantes. J a fratura por clivagem controlada pela tenso de trao atuando perpendicularmente ao plano de clivagem. A superfcie de fratura causada por cisalhamento aparenta ser, quando observada com pequenos aumentos, cinza e fibrosa, enquanto que a fratura por clivagem aparenta ser brilhante e granular, devido reflexo da luz nas superfcies lisas dos gros rompidos por clivagem. As superfcie de fratura freqentemente consistem numa mistura de fratura fibrosa e granular, e comum nos referirmos percentagem de rea superficial ocupada por cada uma dessas categorias. Com base no exame metalogrfico, a fratura em amostras policristalinas pode ser classificada como transgranular (a trinca se propaga atravs dos gros) ou intergranular (a trinca se propaga entre XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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os gros). Conforme foi visto, a fratura dctil aquela que apresenta um considervel grau de deformao. O limite entre a fratura dctil e a fratura frgil, se quisermos estabelecer uma relao entre o tipo de fratura e os materiais envolvidos, arbitrrio e depende da situao a ser considerada. Por exemplo, o ferro fundido nodular dctil quando comparado com o ferro fundido comum, mas ser considerado frgil se comparado com o ao doce.

Figura 2.5 - Tipos de fraturas observados em metais sujeitos a tenso uniaxial. (a) Fratura frgil em monocristal e policristal. (b) Fratura cisalhante em monocristais dcteis. (c) Fratura completamente dctil em policristais. (d) Fratura dctil do tipo taa-cone em policristais. A figura 2.6, exibe uma fractografia na qual podemos observar os cristais que caracterizam a estrutura policristalina de um ao inox do tipo ABNT 304.



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Figura 2.6 - Alguns cristais, tambm denominados gros, de um ao ino x ABNT 304. Observamse com facilidade a presena de algumas trincas intergranulares microscpicas. 2.2. Resistncia coesiva terica dos metais Sabe-se que os metais so de grande valor tecnolgico devido s suas resistncias elevadas combinada com um certo grau de elasticidade e de plasticidade, conforme o caso. Em termos bsicos, a resistncia devida s foras de coeso entre os tomos. Em geral, foras coesivas elevadas so relacionadas com elevadas constantes elsticas, elevados pontos de fuso e coeficientes de expanso trmica pequenos. Para certos tipos de ao de alta resistncia, o limite terico de resistncia encontra-se prximos de 1,8x103 kgf/mm2. No entanto, ensaios realizados nesses materiais mostraram que esse valor caa na faixa de 210kgf/mm2, o que no deixa de ser um valor excepcional. Isso mostra que materiais tpicos de engenharia tm limites de resistncia de 10 a 1.000 vezes menores do que os valores tericos. Os nicos materiais que se aproximam do valor terico de resistncia, so pequenssimos whiskers metlicos livres de defeitos ou falhas em sua estrutura interna e fibras de slica de dimetros muito pequenos. Isso nos leva a concluir que trincas ou falhas, no importando o seu tamanho, so responsveis pelo fato da resistncia fratura nos materiais de engenharia ser mais baixa do que a resistncia terica. Do exposto, parece ser razovel considerar que falhas, trinca, porosidades e microporosidades, incluses metlicas ou no metlicas, conforme o material e as condies de carregamento, podem representar concentradores de tenso que levariam os materiais ao colapso, mesmo quando utilizados em condies previstas nos projetos. A figura 2.7, ilustra uma incluso de xido de ferro no interior de uma massa metlica de ao com baixo teor de carbono e alto teor de oxignio. O efeito de um concentrador de tenso se apresenta muito mais pronunciado em materiais frgeis do que em materiais de comportamento dctil. Num material dctil ocorre deformao plstica quando o limite de escoamento excedido. Um aumento posterior na carga acarreta um aumento local em deformao na regio criticamente tensionada, com pequeno incremento na tenso aplicada. Devido ao encruamento a tenso cresce em regies adjacentes ao concentrador de tenso, at que, se o material for suficientemente dctil, a distribuio de tenso se torna essencialmente uniforme. Assim, um material dctil carregado estaticamente no desenvolver totalmente o concentrador de tenso. Entretanto, em um material XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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frgil, devido sua limitao de se deformar plasticamente, nunca ocorrer a redistribuio de tenso, resultando assim maior perigo de ocorrncia de dano irreversvel. Embora concentradores de tenso geralmente no levam perigo aos materiais de comportamento dctil submetido a carregamento esttico, efeitos apreciveis de concentrao de tenso ocorrero neste mesmo material se solicitado em condies de fadiga ou de tenses alternadas. Assim, considerando-se o projeto e a fabricao sob controle, estruturas e componentes confeccionados com materiais de comportamento dctil, dificilmente causam acidentes de grandes propores e isto devido principalmente ao fato de que a propagao de uma trinca dctil cessa to logo o carregamento seja anulado, ou seja, a propagao de uma trinca dctil se d de forma estvel ao passo que em um material de comportamento frgil, a propagao de uma trinca frgil se d de forma instvel ou seja, mesmo que a estrutura seja descarregada no incio de sua propagao, ela no se detm. Para se ter uma idia, a velocidade de propagao de uma trinca frgil no ao, gira em torno de 2.000km/h. Isto significa que mesmo que se consiga perceber o incio da propagao de uma trinca frgil, o colapso da estrutura praticamente inevitvel.

Figura 2.7 - Incluso de um xido de ferro na superfcie de fratura de ao com baixo teor de carbono. Observa -se que esta partcula deformou plasticamente o metal de base que a envolvia, provavelmente devido a uma micro-movimentao relativa entre as superfcies fraturadas. 2.3. Comportamento dctil e frgil dos materiais Neste ponto do nosso curso, torna-se importante reforar alguns conceitos a respeito de fragilidade e ductilidade dos materiais metlicos. Foi visto que os materiais submetidos a uma carga podem ser classificados quanto ao seu comportamento mecnico em dcteis ou frgeis, dependendo da sua capacidade ou habilidade de suportar e absorver ou no deformaes plsticas. Neste sentido, dizemos que materiais de comportamento dctil conseguem absorver energia e se deformar plasticamente ao passo que materiais frgeis j no possuem esta propriedade ou seja, ao invs de se deformarem eles se rompem. A ductilidade e a fragilidade dos materiais, pode tambm ser expressa em termos de tenacidade. A tenacidade dos materiais definida como sendo a quantidade de energia que um XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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determinado material submetido a um certo carregamento consegue absorver sem se romper. Ou, consegue absorver at a sua ruptura. Visto isto, um material muito dctil, em temperaturas ambientes e em condies de carregamento quase-esttico, ter uma elevada tenacidade ao passo que um material frgil ter uma baixa tenacidade embora possa ter resistncia mecnica elevada. Este conceito aplica-se muito bem em materiais de utilizao convencional pois existem materiais especiais de ultra-alta resistncia e que de certa forma no seguem totalmente o que foi dito. A figura 2.8(a) ilustra uma curva tenso-deformao de um material dctil e a figura 2.8(b) exibe uma curva tenso-deformao tpica, de um material frgil.

Figura 2.8 - (a) curva tenso-deformao tpica de um material dctil. Observa-se uma deformao () considervel quando comparada com a deformao do grfico tenso-deformao (b) de um material frgil como por exemplo o ferro fundido branco. Ainda no caso da figura(b), um material completamente frgil, romperia um pouco antes do limite elstico(E). Em se tratando de componentes mecnicos e estruturas de modo geral, uma ductilidade adequada um fator de grande importncia pois quando solicitado, o material consegue redistribuir tenses localizadas. Se as tenses localizadas em entalhes ou em outros concentradores de tenso acidentais no precisam ser considerados, os projetos so idealizados com base em tenses mdias desde que o carregamento seja esttico. Entretando, nos materiais frgeis, essas tenses localizadas continuam a aumentar pois no existe um escoamento localizado, at que se desenvolvam trincas em um ou mais pontos de concentrao de tenso, que se propagam rapidamente por toda a seo. Em um material frgil, mesmo no havendo concentradores de tenso, ainda assim, uma trinca ir se propagar inesperadamente e esse fato facilmente comprovado no ensaio de trao onde verifica-se que o limite de escoamento e o limite de resistncia trao so praticamente idnticos. Torna-se muito importante ressaltar que a fragilidade no uma propriedade absoluta de um metal. O tungstnio temperatura ambiente muito duro e frgil, porm em altas temperaturas, se comporta de maneira dctil. Um certo metal pode comportar-se de modo frgil em trao e assumir um comportamento dctil se solicitado de modo hidrosttico. Alm disso, a maioria dos aos de baixo e mdio carbono, em temperaturas ambientes possuem comportamento dctil e em baixas temperaturas (abaixo de -5OC), comportam-se, em sua maioria, de modo frgil ou misto. Existem ainda os elementos que so fragilizantes tais como o hidrognio e as elevadas taxas de carregamento que transformam materiais normalmente dcteis em materiais frgeis. 2.4. Afinal, em que se constitui uma falha mecnica? Um componente estrutural ou um elemento de uma mquina, pode ter o seu desempenho comprometido de trs maneiras: XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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1) Deformao elstica excessiva; 2) escoamento ou deformao plstica excessiva; 3) fratura.Para se poder proceder a uma boa anlise de falhas, alm de ser necessrio ter uma boa dose de sensibilidade e senso de observao, importante ter-se conhecimento dos tipos mais comuns de falhas possveis de ocorrer, porque sempre preciso relacionar as condies de trabalho, as dimenses e outros fatores com alguns parmetros de significncia para o material, que possam limitar o desempenho esperado. A cada tipo de falha associam-se parmetros especficos de expressiva importncia. Em geral, dois tipos de deformao elstica excessiva podem ocorrer: 1) Deflexo exagerada sob condies de equilbrio estvel, como no caso de uma viga sendo gradualmente carregada; 2) Deflexo ou flambagem repentinas, sob condies de equilbrio estvel. A deformao elstica excessiva de uma pea em um equipamento pode significar uma falha como se esta pea fosse completamente fraturada. Como exemplo, pode-se citar o rpido desgaste de mancais causado por eixos muito flexveis ou a interferncia ou mesmo dano causado s peas pela excessiva deflexo de partes acopladas em contato entre si. O tipo de falha que ocorre como uma flambagem repentina pode se manifestar em uma coluna delgada quando o carregamento axial excede a carga crtica de Euler ou quando a presso externa atuando em uma cpsula de paredes finas ultrapassa um certo valor crtico. As falhas devido deformao elstica excessiva so controladas no pela resistncia do material, mas pelo seu mdulo de elasticidade. Geralmente, pouco controle metalrgico pode ser exercido sobre esse parmetro. A maneira mais efetiva de se aumentar a rigidez de um componente variando as dimenses da sua seo reta. O escoamento ou deformao plstica de um metal ocorre quando seu limite elstico ultrapassado, causando uma mudana de forma permanente podendo provocar conseqncias danosas irreversveis. O escoamento de um metal dctil sob condies de carregamento esttico temperatura ambiente raramente provoca fraturas, porque medida que o metal se deforma ele encrua aumentando assim a sua resistncia mecnica; at um certo valor em que a rea da seo reta comea a diminuir elevando as tenses envolvidas, podendo assim causar a falha estrutural do material. Neste caso, geralmente so tomadas medidas corretivas antes que ocorram danos irreversveis. A figura 2.9 exibe a fratura completamente frgil de uma conexo em ao inox, submetida a um meio rico em hidrognio.

Figura 2.9 - Conexo em ao inoxidvel ABNT 431 submetida a um ambiente rico em hidrognio. Neste caso houve fratura frgil por fragilizao pelo hidrognio. XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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A figura 2.10 mostra dois parafusos fraturados. O parafuso (a) rompeu-se de modo totalmente frgil e o parafuso (b) rompeu-se de maneira bastante dctil, tendo sofrido uma deformao de longo alcance, at ocorrer a fratura. Os dois parafusos foram fabricados em ao ABNT 1045. A diferena entre eles reside no fato de que o primeiro foi temperado em gua e revenido por uma hora a 200OC, tendo alcanado a dureza prxima de 57 R porta nto, com C elevada dureza e como conseqncia, baixa ductilidade. O segundo foi temperado em leo e revenido por quatro horas mesma temperatura, alcanando a dureza de 25 RC e portanto uma menor dureza, o que certamente conferiu ao material maior ductilidade.

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Figura 2.10- O parafuso (a) rompeu-se sem deformao aparente o que caracteriza uma fratura frgil. O parafuso (b) rompeu-se com grande deformao aparente o que caracteriza uma fratura dctil de longo alcance, o que pode ser evidenciado na ampliao direita. Os metais falham por fratura de trs maneiras diferentes: 1) Fratura frgil repentina; 2) Fadiga ou fratura progressiva; 3) Fratura retardada. Foi visto que metais frgeis sob carregamento esttico podem romper-se sem grandes evidncias externas de escoamento. Uma fratura frgil repentina pode tambm ocorrer em metais dcteis sob certas condies especficas. O ao ao carbono estrutural pode ser citado como sendo um exemplo mais comum de um material que apresenta uma transio de comportamento dctil-frgil. A mudana do comportamento caracterstico de fratura dctil para o de fratura frgil favorecida pelo decrscimo da temperatura, aumentada taxa de carregamento e pela presena de um estado complexo de tenso provocado por um entalhe. A figura 2.11 exibe um diagrama que relaciona energia de impacto com variao de temperatura. No caso, trata-se do ensaio de impacto Charpy, atravs do qual possvel verificar a transio de comportamento dctil-frgil dos ao de baixa, mdia e elevada resistncia. Todos os materiais utilizados em engenharia apresentam uma certa variabilidade nas propriedades mecnicas que podem ser influenciadas pelos diversos tipos de tratamentos trmicos ou processos de fabricao. Alm disso, em geral existem incertezas quanto magnitude das cargas aplicadas e necessitam-se usualmente de certas aproximaes para o clculo das tenses em todos os componentes, exceto os mais simples. Deve-se levar em conta o surgimento de cargas acidentais de elevada magnitude, o que nem sempre possvel de ser feito, por razes de projeto, econmicas ou de limitaes de fabricao. No entanto, sob condies normais, a preveno de falhas mecnicas feita adotando-se uma margem de segurana ou seja: necessrio que as tenses permitidas sejam menores do que aquelas que levaro falhas. Denomina -se tenso de trabalho ( w), o valor da tenso para um determinado material utilizado sob certas condies consideradas de segurana. Para carregamento esttico, a tenso XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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de trabalho de um metal dctil em geral baseada no limite de escoamento, o , e para materiais frgeis na resistncia mxima trao u. Os valores de trabalho so estabelecidos em normas; no Brasil, pela Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT.

Figura 2.11- Dados obtidos do ensaio de impacto Charpy, para aos com baixa, mdia e elevada resistncia. Verifica-se que aos de alta resistncia possuem baixa tenacidade e que os aos de mdia e baixa resistncia possuem a transio dctil-frgil bem definida. A tenso de trabalho pode ser considerada como sendo a razo entre a tenso de escoamento ou o limite de resistncia trao, conforme o caso, e um nmero denominado fator de segurana . w = o/no onde: ou w = u/nu

w = tenso de trabalho [kgf/mm2 ]; o = limite de escoamento [kgf/mm2]; u = limite de resistncia trao [kgf/mm2]; no = fator de segurana baseado na tenso de escoamento; nu = fator de segurana baseado no limite de resistncia trao.

O valor conferido ao coeficiente de segurana depende de uma estimativa de todos os fatores que j foram discutidos. Uma considerao especial deve ser dada s conseqncias de uma falha mecnica. Para falhas que podem originar perigo de vida, utilizam-se fatores de segurana maiores. O tipo de equipamento e os tipos de solicitaes tambm influenciam na determinao do fator de segurana. Alm do que foi visto, temos tambm o caso em que os metais no mais apresentam encruamento a temperaturas significantemente maiores que a temperatura ambiente. Em lugar disto, podem se deformar continuamente tenso constante, apresentando escoamento dependente do tempo conhecido como Fluncia. Sob condies de fluncia, o critrio do incio do XXIII SEMANA DA ENGENHARIA MECNICA unesp Ilha Solteira 26 a 31/08/2002


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escoamento torna-se razoavelmente complicado pelo fato da tenso no ser proporcional deformao e tambm porque as propriedades mecnicas do material podem variar apreciavelmente quando em servio e em elevadas temperaturas. A figura 2.12 exibe uma superfcie rompida por fluncia. A observao da figura 2.12(a) revela que houve uma profunda modificao na morfologia granular da superfcie fraturada. Na figura 2.12(b) pode-se verificar a presena de uma incluso e de uma regio oxidada.

Figura 2.12 - Fractografia da superfcie de uma pea fraturada por fluncia. Nota-se uma g rande modificao ao na morfologia da superfcie granulomtrica. Verifica-se com facilidade o aparecimento de uma incluso e as facetas deixadas pela ruptura da mesma. A maioria das fraturas em componentes de mquinas ocorrem por fadiga. A fratura por fadiga ocorre em partes submetidas a tenses cclicas ou tenses alternadas ou ainda, flutuantes. O componente levado fratura quando uma trinca diminuta pontualmente localizada, geralmente em um entalhe ou concentrador de tenses, gradualmente se propaga pela seo reta do material. A falha por fadiga ocorre sem nenhum sinal visvel de escoamento, em tenses mdias ou nominais bem abaixo da resistncia trao do metal. Esta falha causada por uma tenso crtica localizada de muito difcil avaliao. Desta forma, os projetos que levam em conta a falha por fadiga baseiam-se principalmente em relaes empricas que utilizam tenses nominais. A fadiga dos metais ser discutida detalhadamente no prximo tem. A figura 2.13 apresenta uma fratura tpica por fadiga. Nesta representao, local do incio da fratura, marcas de praia, sentido de propagao da trinca e fratura final, podem ser facilmente visualizados.



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Figura 2.13 - Fratura de um eixo por fadiga. Notam-se local de incio da propagao da trinca, sentido dessa propagao, marcas de praia e fratura final.

3. A FADIGA DOS MATERIAIS METLICOS3.1. Introduo Em meados do sculo IX o homem tomou conhecimento de que um metal submetido a uma tenso repetida ou flutuante romper a uma tenso muito inferior quela necessria para ocasionar fratura devido aplicao de uma carga esttica. Naquela poca os engenheiros ferrovirios projetavam eixos de locomotivas e estes se rompiam aps um determinado tempo de uso. Acreditava -se que aumentando o dimetro desses eixos, o problema seria resolvido. Todavia, tal no acontecia. Os eixos continuavam a se romper a tenses abaixo dos limites de resistncia foi quando esses engenheiros comearam a desconfiar que algum mecanismo de fratura at ento desconhecido, estava em jogo. Descobriram, ento, a fadiga dos materiais metlicos. A fadiga tornou-se progressivamente importante medida que a tecnologia desenvolveu um nmero maior de equipamentos, tais como automveis, avies, compressores, bombas, turbinas e muitos outros conjuntos mecnicos sujeitos a carregamento repetitivo e a vibraes, em condies cada vez mais severas. Nos dias atuais, pode-se dizer que a fadiga responsvel por pelo menos 90 por cento das falhas em servio, relativas a causas puramente mecnicas. Uma fratura por fadiga particularmente insidiosa porque acontece sem que haja qualquer aviso. A fadiga d origem a uma fratura de aparncia frgil, sem existncia de deformao macroscpica em parte da sua superfcie. A superfcie de fadiga, em escala macroscpica, quase sempre normal direo principal de trao. Uma falha por fadiga pode ser reconhecida, geralmente, a partir do aspecto da superfcie de fratura, a qual apresenta uma regio lisa decorrente da frico que se verifica entre as superfcie durante a propagao da trinca atravs da seo transversal do material. A figura 3.1 ilustra muito bem a zona onde a trinca progrediu lentamente que justamente a regio lisa e uma zona fibrosa onde ocorreu a fratura brusca.



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Figura 3.1 - Superfcie de fratura por fadiga de um tender de locomotiva. Pode-se notar uma regio fortemente deformada que corresponde zona de fratura brusca e uma regio lisa, por onde a trinca iniciou-se e progrediu lentamente. So trs os fatores bsicos necessrios para causar a falha por fadiga: 1) Uma tenso de trao suficientemente elevada; 2) Uma flutuao ou uma variao na tenso aplicada suficientemente elevada; 3) Um nmero de ciclos de aplicao da tenso suficientemente grande. Alm destas, existem outras diversas variveis que tendem a alterar as condies de ocorrncia da fadiga dos materiais metlicos, tais como: 1) Concentrao de tenso; 2) Corroso; 3) Temperatura; 4) Sobrecarga; 5) Estrutura metalrgica; 6) Tenses residuais; 7) Tenses combinadas. Uma vez que ainda no possumos um entendimento bsico do que leva um metal a se romper por fadiga, ser necessrio que discutamos cada um destes fatores a partir de um ponto de vista essencialmente emprico. Devido ao grande nmeros de dados experimentais existentes, ser possvel apenas descrever os pontos fundamentais da relao entre estes fatores e a fadiga em si. 3.2. Ciclos de tenso Iremos agora definir brevemente os tipos gerais de tenses flutuantes que podem gerar fadiga. A figura 3.2 ilustra ciclos de tenses tpicos em fadiga. A figura 3.2(a) ilustra um ciclo de tenses alternadas de forma senoidal. Esta uma situao idealizada a qual produzida por uma mquina de ensaios fadiga, do tipo flexo rotativa. Para esse tipo de ciclo de tenses, as tenses mximas e mnimas so iguais. A figura 3.2(b) exibe um ciclo de tenso flutuante no qual a tenso mxima e a tenso mnima so diferentes. Neste caso, ambas as tenses so de trao, embora um ciclo de tenso flutuante possa perfeitamente apresentar tenses mxima e mnimas de sinais opostos ou ambas em compresso. A figura 3.2(c) mostra um ciclo de tenses complicado que pode por exemplo ser encontrado numa asa de aeronave, que sujeita a sobrecargas repentinas devido ao vento e sua prpria sustentao.



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Um ciclo de tenso flutuante pode ser dividido em duas componentes, uma tenso mdia ou esttica m e uma componente de tenso alternada ou varivel a. Devemos considerar tambm o intervalo de tenses r . Como pode ser visto na figura 3.2(b), o intervalo de tenses a diferena algbrica entre as tenses mximas e as tenses mnimas em um ciclo. r = mx. - min. (3.1)

A tenso alternada , ento, a metade do intervalo de tenses. a = r /2 (3.2)

A tenso mdia, a mdia das tenses mxima e mnima no ciclo. m = (mx. + min)/2 (3.3)

Figura 3.2 - Ciclos de tenso tpicos em fadiga. (a) Tenso alternada; (b) tenso flutuante; (c) ciclo de tenso irregular ou aleatrio. So utilizadas duas quantidades para apresentao dos dados de fadiga em termos da relao de tenses: R = mx./min. e A = a/m (3.5) (3.4)


Curso de Anlise de Falhas 3.3. A Curva S-N

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O mtodo bsico de apresentao de dados experimentais de fadiga dos materiais metlicos atravs da curva S-N, onde lanada em grfico a tenso S contra o nmero N de ciclos necessrios para a fratura. Normalmente emprega-se uma escala logartmica para N. O valor da tenso lanada no grfico pode ser a , mx. ou min e so geralmente tenses nominais, isto , no h ajuste para concentrao de tenses. A relao S-N determinada para um valor especfico de m , R ou A. A maioria das determinaes de propriedades da fadiga dos materiais metlicos so realizadas em flexo rotativa, onde a tenso mdia zero. A figura 3.3 exibe curvas S-N tpicas do ensaio de bareta rotativa. Podemos notar que estas curvas esto relacionadas principalmente com falhas de fadiga para nmeros grandes de ciclos ( N>105 ciclos ) Nestas condies, a tenso, grosso modo, elstica, mas, como ser visto adiante, o metal se deforma plasticamente de forma altamente localizada. Para tenses maiores, a vida em fadiga decresce progressivamente, mas a deformao generalizada torna difcil a interpretao em termos de tenso. Para a regio de fadiga em baixo ciclo ( N 4 ) ciclos, os ensaios so conduzidos com ciclos controlados de

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